压裂煤层综采截割比能耗模型及应用

针对陕北侏罗纪厚硬煤层开采中存在的截割功耗高,截齿磨损严重,块煤率低等问题,以超前水压致裂改造硬厚煤层工程为背景,以形成的不同压裂煤层为对象,建立压裂煤层截割比能耗损伤模型,研究了压裂煤层截割性能的变化规律和影响因素.结果表明,压裂煤层的截割比能耗与压裂损伤变量成对数关系;进一步采用ANSYS/LS-DYNA软件分析,研究了不同压裂煤层的截割能耗、截割阻力等参数的变化规律,得出压裂煤层损伤变量与采煤机截割功耗及截割阻力成反比关系;在煤机截割条件相同情况下,压裂煤层比原始煤层的截割能耗减小50%左右,截割阻力比原始煤层降低了20%;压裂损伤程度越大,煤层截割比能耗越小.结合陕北4种工作面压裂煤层条件,通过数值计算分析,给出不同工作面压裂煤体损伤变量及截割能耗的变化规律.现场工业试验研究表明,压裂煤层与原始煤层相比较煤层开采具有节能降耗、提质增效等方面的作用,与理论模型计算结果一致.观测表明,采煤机截割不同压裂程度煤层的吨煤电耗、截齿及油脂消耗不同,损伤变量越大的压裂煤层综采截割性能越高;各压裂工作面粉尘平均降低36.7%,压裂煤层综采工作面块煤率平均提高26.5%.

截割参数对镐型截齿截割比能耗的影响

为了研究相关截割参数对截割比能耗的影响,基于直线截割试验装置,在不同截割角条件下,使用5种不同锥角的镐形截齿对一种砂岩进行截割试验,研究了相关角度参数对截割力和比能耗的影响;在截割角为55°时,使用锥角80°的截齿,在不同截割厚度和截线距条件下进行截割试验,探讨了截割厚度和截线距对截割力和截割比能耗的影响。试验结果表明,清理角对截割力和截割比能耗有显著的影响,当清理角过小时,截齿与岩石之间产生严重的摩擦使截割力明显较大,从而使截割比能耗较大。当清理角小于等于10°时,平均截割力随截齿锥角的增大呈线性增大,随前角的增大呈线性减小,此时截割比能耗明显小于清理角大于10°时的截割比能耗,但锥角和前角对截割比能耗未见明显的影响趋势。平均截割力随截割厚度和截线距的增大呈线性增大。截割比能耗随截割厚度的增大呈幂函数减小。截线距与截割厚度的比值存在一个最优值使截割比能耗最小,此时截割比能耗相对无截槽影响时约降低65.1%。截线距与截割厚度比值的最优值为2或3,且该比值不受截割厚度和截线距的影响。这些结论对镐型截齿工作角度的设计及采掘机械工作机构截齿布置有重要的指导意义。

基于数据清洗算法的采煤机截割比能耗计算方法

为了研究特定矿井或地区的截割比能耗,利用MG900/2400-WD采煤机在陕蒙煤田某矿区的运行数据,结合设备使用的实际工况,提出了针对不同数据类型的数据清洗算法,消除数据采集过程中的误差。首先针对速度,采高,架号三种数据分别设计了速度修正算法,完成数据修正后通过可视化采煤机架号数据变化情况,选取了45组采煤机在正常截割时的数据。最后利用采煤机牵引速度左右采高及滚筒截深,计算采煤机割煤体积。利用采煤机电机电流数据,计算采煤机割煤消耗的能量,从而得出了随着牵引速度变化,截割比能耗的变化情况。结果表明这两种算法能够分别修正速度和采高数据中存在的误差,使用清洗后的数据能够计算出的截割比能耗随速度的变化规律。截割比能耗的结果为下一阶段此采煤机的推广、设计和改进提供指导数据。

截割参数对采煤机截割比能耗的影响研究

为提高矿用采煤机滚筒截割煤岩的工作效率,针对影响采煤机截割性能的煤层倾角、采煤机牵引速度、截割深度3个参数进行分析研究,得出:随着煤层倾角、截割深度的增大,采煤机截割比能耗也同步增大;而随着牵引速度的增大,采煤机截割比能耗逐渐减小,且牵引速度与采煤机截割比能耗的变化关系是幂函数。综合可以得出,牵引速度对采煤机截割比能耗影响最大,截割深度影响相比较小,而煤层倾角影响最小。

悬臂式掘进机截割头截线距对截割性能的影响分析

悬臂式掘进机进行煤矿截割的过程中,针对截线距对截割性能的影响作用进行分析,从而提高煤矿的截割效率。采用离散元分析的形式建立不同截线距的模型,并对截齿的截割阻力、截割阻力波动系数、截割比能耗进行分析,从而选取最优的截线距参数,提高煤矿的截割效率。

截割厚度和截线距对镐型截齿破岩的影响研究

为了研究不同截割厚度和截线距对镐型截齿截割力和截割比能耗的影响,基于TRW-3000真三轴电液伺服测试系统及自主设计的创新型截齿加载平台,对炭质板岩和流纹质碎屑岩试样进行了室内直线截割试验。试验结果表明:截齿破岩呈现4种破坏模式,两相邻截齿之间存在显著的协同作用。平均截割力随截割厚度和截线距的增大呈线性增大。随着截割厚度的增大,截割比能耗呈幂函数减小;随着截线距和截割厚度的比值的增大,截割比能耗先减小后增大,且存在一个最小比能耗,即最优值,最优截割比能耗远小于无截槽影响的比能耗,此时截线距和截割厚度的比值为2或3。利用室内试验结论优化了悬臂式掘进机截割头上的截齿布置,并运用到掘进机非爆掘进现场工业试验,大幅提高了掘进效率并降低了掘进成本。

基于能耗最低的截割头结构参数模糊优化设计

以纵轴式部分断面掘进机的截割比能耗为目标函数,取截割头的直径、锥角、螺旋叶片升角等作为设计变量,给出了各参数的模糊约束条件,运用最优化水平截集法将掘进机截割头结构参数的模糊优化问题转化为非模糊优化问题,建立了基于能量消耗最低的截割头结构参数的非模糊优化的数学模型。利用该模型确定截割头的结构参数,可使截割头的结构参数设计更加合理,能进一步改善掘进机的截割性能,明显提高掘进机截割的经济效益。

矸石层形态对掘锚机截割特性影响仿真分析

巷道实际掘进过程中掘进工作面除全煤层外还有各种矸石层,矸石层的存在会影响掘锚机掘进效率。然而目前大多以全煤层工作面为研究背景对滚筒截割特性进行分析,或考虑的矸石层形态较为单一。针对上述问题,以MB670−1型掘锚机为研究对象,利用Pro/E软件绘制掘锚机三维模型,将模型导入RecurDyn软件并添加相应的运动副,之后再导入EDEM软件,建立EDEM−RecurDyn耦合仿真模型。从滚筒截割性能、滚筒位移和滚筒振动3个方面仿真分析了水平矸石层、斜矸石层、半矸石层3种矸石层形态对掘锚机截割特性的影响,结果表明:①与全煤层相比,在矸石层条件下滚筒截割阻力、载荷波动系数、截割比能耗均有所增加,尤其在斜矸石层条件下增加最明显,截割阻力均值增大了35.61%,X轴(沿掘锚机掘进方向)、Y轴(垂直于巷道底板方向)、Z轴(与滚筒轴平行方向)载荷波动系数分别增大了26.79%,25.39%,61.28%,截割比能耗增大了37.21%。②矸石层的存在使滚筒位移有所减小,相比于全煤层,在水平矸石层、斜矸石层、半矸石层条件下滚筒位移分别缩短了53,89,14 mm。③滚筒在截割含矸石层工作面时产生的振动幅度远大于截割全煤层工作面时。④矸石层形态对掘锚机截割特性的影响程度为斜矸石层>水平矸石层>半矸石层。

复杂煤层条件下滚筒截割性能参数优化分析

为进一步提升采煤机的截割能力和落煤能力,达到提升其截割性能的目的,基于EDEM软件建立采煤机与复杂煤层的耦合仿真模型,分别对采煤机螺旋滚筒结构参数和运动参数对截割性能的影响开展对比仿真分析;采用多目标数学优化模型对螺旋滚筒参数进行优化,并得出优化后的滚筒参数对采煤机截割性能有明显改善的结论。

悬臂式掘进机破岩产尘、能耗控制及性能评估

关于掘进工作面的粉尘问题,以往的研究大多集中在粉尘运移规律及治理方法上,对产尘机理及可控指标的研究较少。鉴于此,以截齿破岩机理为基础,分析了截齿破岩产尘机理及影响因素,并把影响因素划分为静态和动态影响因素。静态影响因素包括镐形截齿锥角、截割角以及截割速度等,其特点是在掘进机工作过程中不会改变而影响产尘和能耗;动态影响因素包括截齿磨损和截割厚度等,截割厚度是影响产尘量最重要的可控动态影响因素。研究发现产尘量与比能耗密切相关。文中着重研究了截割厚度对截割破岩产尘及能耗的影响,结果表明:截割厚度产尘量和截割比能耗的影响规律非常相似,随着截割厚度的增大,产尘量和截割比能耗都以幂函数减小。以此为基础,论述了以平均截割厚度9 mm及以上制定掘进机可经济破岩性能指标的合理性,这是控制粉尘和能耗的合理界限,并建立了用岩石抗压强度、截割比能耗表示的掘进机可经济截割岩石硬度指标的计算模型。最后将各模型应用于两个实例,结果表明它们能合理的对掘进机经济破岩能力进行评估,并能用其对掘进机的岩效率进行预测。这些结论对掘进机的设计、选型以及现场应用能提供很好的理论支撑。

截齿旋转破碎板状岩体性能研究

截齿是掘进机的关键刀具,截齿的破岩性能影响掘进机的破岩效率。通过建立截齿旋转破碎板状岩体数值模型,研究截齿不同截割深度和旋转速度对板状岩体裂纹、截齿峰值截割力和截割比能耗的影响。结果表明:随着截割深度的增大,截齿峰值截割力和截割比能耗逐渐增大,当截割深度为18~28 mm时,板状岩体横向裂纹扩展范围不断增大,当截割深度为30 mm时,板状岩体横向裂纹扩展范围相对较小,碎裂效果较差;随着旋转速度的增大,板状岩体横向裂纹扩展范围不断增大,峰值截割力和截割比能耗逐渐增大但截割比能耗增长速度减慢。研究通过优化截割参数,提高截齿破岩性能,得到更好的岩板碎裂效果。

截齿截割煤岩的LS_DYNA仿真模拟

研究应用LS_DYNA软件进行煤岩截割破碎仿真的程式与方法,对悬臂式掘进机截割头上镐形截齿截割煤岩进行仿真模拟,在hypermesh中建立有限元网格模型,调用LS_DYNA971求解器进行求解,研究不同切削角对截齿截割阻力的影响以及切削厚度与比能耗之间的关系,并与常用的截齿截割阻力公式计算结果相比较,仿真结果证明了建模方法的可行性与正确性;最后得出截割阻力最小时的最佳切削角以及切削厚度与截割比能耗之间的关系.研究工作为截齿截割煤岩的动态建模及仿真提供了新思路.

截割角和截割线速度对镐型截齿截割性能的影响

为深入研究截割角和截割线速度对截镐型齿截割性能的影响,运用PFC^(3D)离散元软件建立镐型截齿与煤壁模型,将切削厚度恒定为10 mm,截割距离为20 mm,对不同截割角与截割线速度进行直线截割仿真,对煤壁内部的微破坏、截齿载荷以及截割比能耗进行分析。结果表明,截割线速度越大,对煤体的剪切破坏越明显,截割角影响煤壁微破坏程度与裂纹扩展方向;随着截割线速度的增大,截割阻力均值与截割比能耗均呈先减小后增大的趋势;截割角为40°时截割阻力均值明显较大,但截割比能耗较小,与50°接近;截割角为55°时截割阻力均值较小,但截割比能耗明显较大,截割效率低。综合考虑,截割线速度应取3~4 m/s,截割角应取45°~50°为宜。

不同截齿安装角对采煤机截割性能的影响

为研究采煤机滚筒与围岩的相互作用机制,以MG500/1180-WD型号采煤机为研究对象,采用EDEM离散元仿真软件建立三维仿真模型,综合考虑煤岩块度、顶板压力对采煤机截割性能的影响,研究采煤机截割煤岩的动态过程,利用单因素试验法研究不同截齿安装角对采煤机装煤率、截割阻力以及截割比能耗等因素的影响。结果表明:随着截齿安装角增大,采煤机装煤率呈先增大后减小的趋势,滚筒截割阻力及截割比能耗均呈先减后增的趋势。综合考虑当安装角为45°时,采煤机的截割效率最高。研究结果可为采煤机高效截割提供了改进参考方案。

双联镐齿截割煤岩力学特性的数值模拟

为探索高效率、低能耗的煤岩截割方法,利用ABAQUS有限元软件对双联镐型截齿旋转截割煤岩的过程进行仿真模拟,分析双齿同步作用下煤岩的破碎形式,应用分形理论评价双齿同步截割煤岩的力学性能,对同步截割与顺序截割的阻力谱进行统计分析。结果表明:双齿同步作用时,煤岩应力间存在协同效应,相邻截槽的裂纹互相交错、叠加影响,有利于煤块的剥落。在仿真实验范围内,当切削厚度一定时,随着截线距的增大,两齿的盒维数呈现先减小后增大的变化规律,存在最佳的截线距使比能耗最小。同理,当截线距一定时,盒维数随着切削厚度的增大呈先减小后增大的趋势。在相同的截割条件下,截齿顺序截割比同步截割时,其截割阻力的最大值平均增大12.3%。该研究为高效的采煤机工作机构设计提供参考依据。

岩石可截割性及其分级研究

鉴于现有岩石可截割性表示方法不能合理的指导掘进机的设计和选型,并且岩石可截割性分级定义不明确,致使岩石掘进机使用时截割比能耗大、粉尘量大等问题突出。文章给出了岩石可截割性定义并解释了其三层含义,初步制定了岩石可截割性分级标准,分析表明用抗压强度计算岩石可截割性级值具有明显优势。并基于岩石可截割性的定义和级值标准,推导出了给定纵轴式掘进机可经济截割岩石的可截割性级值理论估算公式,为纵轴式掘进机的选型和工作能力评估建立了理论依据。

连采机截齿安装角对截割性能的影响研究

为研究连采机截齿的截割受力情况,综合考虑煤岩的拉压强度及煤岩之间的黏结度,采用 EDEM软件建立了镐形截齿仿真模型,研究了截齿安装角在动态截割煤过程中对连采机截割比能耗及截割 阻力的影响规律。结果表明:截割阻力随着截齿安装角的增大变化幅值不同,安装角从35°~45°时变化 幅值较小,45°~50°时截割阻力急剧增大;截割比能耗随安装角的增大呈现先减小后趋于平稳的趋势。 综合考虑,当截齿安装角为45°时,截割比能耗和截割阻力最小,研究结果为提高连采机的截割效率、减 少截齿的损耗提供了参考依据。

基于MATLAB的采煤机截割参数优化设计

采煤机截割厚度是煤岩截割的重要参数,也是影响煤矿经济效益的关键参数。通过建立以截割比能耗、生产效率和块煤率为基础的模型,对采煤机的牵引速度和滚筒的截割转速进行分析,通过MATLAB进行仿真优化,优化后的截割比能耗、生产效率和块煤率均有明显改善。

不同滚筒运动参数对采煤机截割性能的作用分析

滚筒式采煤机是广泛应用的主要的采煤设备,在进行开采的过程中,滚筒的运动参数不同对于开采的效率具有重要的影响。针对采煤机滚筒的运动参数对截割过程的影响作用进行仿真分析,结果表明,滚筒的运动参数对滚筒载荷及截割比能耗的影响各不相同,这与截割过程中的切削厚度及截割线速度的变化有关。通过分析,为采煤机的滚筒参数优化提供依据,实现高效的开采。

采煤机滚筒运动参数对滚筒截割性能的影响

采煤机滚筒截齿直接作用于煤壁,改变运动参数将改变滚筒的截割特征,对于截齿运动参数与截割性能的关系研究是改善采煤机性能的理论基础。本文通过PFC3D进行了截割过程仿真实验,分别对不同采煤机滚筒运动参数进行模拟,设置不同的切削厚度、截割角、截割线速度,得出了各运动参数对截割阻力和截割比能耗的关系,对不同参数下的截割性能作了评价,给采煤机的优化设计提供了研究依据。