高压水预裂与截齿联合破煤实验系统设计与破碎性能研究
作者单位：辽宁工程技术大学
学位级别：硕士
导师姓名：张强
授予年度：2021年
学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学]
摘 要：煤炭在我国能源矿产领域占主导地位,针对硬质难采煤层,采用传统截割方式所造成开采效率低下的问题,一直以来都限制着煤炭生产行业的发展,随着近年国内大储量优质煤层的不断开采,煤层硬质比例不断上升,煤炭整体的开采难度也呈加大趋势,寻求一种针对硬质煤层开采效率提升具有普遍适用性的方法,成为促进煤矿实现智能化的重要途径。针对坚硬煤层具有强度大、结构致密、裂隙不发育等特征,本文基于机械结构设计和采矿工程学科交叉,综合采用理论分析与计算、数值模拟与现场试验相结合的研究方法,提出了一种高压水对煤体实现预裂的方法,建立了煤体致裂、预裂理论模型,分析了预裂后煤体对滚筒截割力以及截割比能耗影响因素,进行了直孔/斜孔高压水预裂模拟研究,基于理论研究,设计了高压水预裂实验系统,进行了煤壁高压水预裂截割运行实验,构建了煤体破碎性能评价体系。本文所得主要研究结果如下:以有限元分析方法作为理论基础,建立了煤壁致裂力学模型,得到了煤壁直孔、斜孔高压注水下对煤壁产生的致裂合力,以摩尔应力圆理论构建的贯通力学模型作为参考,分析了煤壁致裂后形成裂隙发育并完成卸荷达到预裂的过程;分析了滚筒截齿截割过程中所受截割阻力影响因素,构建了滚筒截割比能耗数学模型;利于ABAQUS有限元静力学分析方法模拟了煤壁钻孔注水实验,建立了3种不同钻孔方式下煤壁试件模型,分析了高压注水对不同钻孔方式煤壁的预裂特性影响,仿真结果表明:同等参数条件下,斜孔预裂在等效应力、应变、空间位移峰值上均比直孔预裂大。考虑高压水预裂与截齿联合破煤实验系统功能需求对机构与测试系统设计提出总体方案,设计了截割平台机构,完成了截割平台的截割功能、牵引功能、推进功能、限位功能设计;设计了辅助预裂机构,满足了辅助预裂机构的高压注水功能、围压顶压加载功能;设计了信号测试采集系统,实现了截割过程中红外热像信号、声发射信号、截割参数、破碎过程图片数据信号的采集。基于高压水预裂与截齿联合破煤实验系统功能控制需求对控制系统设计提出总体方案,设计了截割平台运行模式控制,实现了截割平台连续运行、点动运行功能控制;设计了截割平台伺服驱动控制,满足了截割平台位移控制、截割滚筒转速控制;设计了实验系统上位机监控及PLC控制编程,完成了实验系统上位机触摸屏界面设计,实现了高压水泵开断控制、截割平台正向自动循环截割控制、截割平台自动斜切控制、截割平台手动控制、截割平台点动控制控制、截割平台复位控制。以硬质煤层硬度参数范围作为指标,进行了煤样单轴力学性能测试实验,基于不同煤样骨料配比,计算了煤样力学参数,测试结果表明,主要骨料煤、水泥为1:5的均质煤样,其硬度指标参数最高达到f 5.2;基于相似性理论对实际工况的煤层进行缩小,构建了模拟煤壁,以达西定律作为计算理论依据,最优化设计了钻孔直径、钻孔深度,基于实验系统功能设计,完成了实验方案设计;实验结果表明:高压注水预裂煤壁对比同配比及外形尺寸未预裂煤壁在滚筒截齿截割热红外温度数据下降7.7℃,声发射时域幅值下降2.1 V,频域幅值降低0.25 V,截割过程最大截割力下降70.1 k N,平均截割比能耗降低0.15 k W·h/m。各参数均有较为显著的改善,验证煤体预裂后破碎性能良好,方法推广具有实际应用价值。该论文有图79幅,表17个,参考文献106篇。
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