曹学涛掘进机截齿截割煤岩的离散元仿真研究.doc

第1章 绪论 1.1课题的提出及意义 随着国民经济的增长，综合国力的不断提升，对能源的需求也与日俱增。煤炭作为基础能源，在我国的能源生产和消费中占据主导地位，可以说，煤炭产业支撑着国民经济的高速发展。专家预测，在相当长的一段时期内，煤炭的基础能源地位将继续保持。 根据煤炭行业“十二五”发展规划，到“十二五”末，我国煤炭目标产量将为36亿吨，大型煤矿采掘机械化程度达到95％、中型煤矿80％以上，小型煤矿40％，煤矿开采机械化率的提高直接带来的就是煤炭机械的需求。我国从2009年下半年开始对煤炭企业进行整合，客观上大大推动了大型现代化煤矿建设、生产规模化和技术现代化，为大型煤炭机械的研究和应用提供了更大的发展平台。 悬臂式掘进机作为综掘机械系统的主力设备，以其工作方式灵活、机动性强和能耗小等诸多优点，广泛适用于煤及半煤岩巷道的掘进，在煤炭开采中发挥着重要的作用。截齿作为悬臂式掘进机的工作部件，安装在截割头上并随截割头旋转破碎煤岩。由于掘进机的工作环境复杂，工作面煤岩分布不均、性质多变，具有很大的随机性。因此，对掘进机截齿截割煤岩的截割过程进行研究，分析煤岩对截齿载荷状况，搞清掘进机截割的关键技术，为建立合理截齿结构，研发适合我国煤层地质条件的国产掘进机以及建设高产高效的现代化矿井和发展国民经济具有重要意义。本文提出采用离散元法分析截齿截割煤岩的动态破坏过程，为截齿截割煤岩提供了一种新的研究方法，对煤炭开采领域的研究与应用具有一定的现实意义。 1.2掘进机研究现状及发展趋势 1.2.1国外掘进机研究现状及发展趋势 19世纪70年代，英国研制出了第一台掘进机。此后，在20世纪30年代美国发明了悬臂式掘进机，并将其应用在采矿行业，取得了良好的效果。随着经济的发展，人们对煤炭的需求量越来越大，掘进机的研究和制造取得了空前的成就。发展至今，悬臂式掘进机已呈现出系列化和多样化。 总体来说，当前国外悬臂式掘进机的研究和发展主要包括以下几个方面：掘进机的截割功率逐渐增大，安全可靠性明显增强 自从掘进机应用开始，国外学者就很重视掘进机截齿截割理论的研究，不少国家进行了大量单齿或多齿截割试验，建立了截齿截割受力的数学模型，得到一些截割理论，例如前苏联学者通过大量试验分析，研究影响截齿载荷大小变化的因素；德国英国等在截齿截割试验的基础上，截割机构优化设计。前期各国的大量试验和研究为截齿截割理论的发展奠定了一定的基础[2-]。 我国对掘进机技术的研究起步较晚，20世纪60年代中期通过引进IIK-3型掘进机1975年由太原煤研所、开滦煤研所等单位共同设计，并由佳木斯煤矿机械有限公司生产的EMI-30(E3)型掘进机诞生，开了我国自主研制掘进机的先河[]。2080年代初我国开始大批引进煤炭采掘设备，通过对国外先进技术的引进、消化和吸收，推动了我国综掘机械化的发展。经过近30年的消化吸收和自主研发，我国研究设计掘进机的技术日趋成熟，掘进机种类由最初的单一形式，发展成轻型、中型、重型等不同机型，同时形成了不同系列的产品，主要有煤科总院太原研究院研制的EBJ(Z)系列、佳木斯煤机厂生产的S系列、煤科总院上海研究院设计的EBJ系列等型掘进机[]。 在今后相当长的一段时期内，我国掘进机技术的发展趋势主要包括以下几个方面：掘进机的适用范围扩展到半煤岩及全岩石巷道及工程隧道等领域；研究适用于全岩巷道的掘进机，向重型化发展；开发适合薄煤层及半煤岩巷道的矮、窄机身中型掘进机；进一步提高掘进机的机械可靠性；开发研制集切割、装运、行走、锚杆支护、机载、除尘等功能为一体的掘进机组，实现多功能一体化；坚持发展多元化、系列化原则，更好地满足市场需求并推动煤矿掘进机械化的全面发展。 尽管我国掘进机技术有了较大的提高，但同西方发达国家相比还有较大的差距。因此，需结合我国煤炭领域自身的特点，不断吸收国外相关方面的先进技术，加强自主研发能力，研究适合我国煤炭地质条件的机型。尽快缩短我国与发达国家的技术差距，将我国的掘进机械化装备提高到一个新的层次。 1.3截齿截割煤岩研究现状 目前，理论分析、试验研究和数值模拟是当代科学研究的重要手段，其中理论分析和试验研究是数值模拟的基础，而数值模拟又扩展了试验范围，促进了新理论的产生。近年来，数值模拟技术在科学领域的地位越来越重要。在截齿截割煤岩领域，国内外研究人员从理论分析、试验研究和数值模拟等方面对煤岩断裂、破碎进行了不同程度的探索。 1.3.1理论分析方面的研究现状 20世纪50年代，别隆和保晋[9]通过大量煤岩截割试验，提出了“密实核”理论，揭示了煤岩截割中的一些现象。所谓的“密实核”理论，即认为截齿以某一速度向前运动，在截齿和煤岩的接触的小范围内产生很高的应力，当接触应力达到某一极限值时，煤岩开始局部被压碎形成粉状“密实核”。在截齿前进过程中，