曹學(xué)濤掘進(jìn)機(jī)截齒截割煤巖的離散元仿真研究

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1、第1章緒論第1章緒論1.1課題的提出及意義隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長，綜合國力的不斷提升，對(duì)能源的需求也與日俱增。煤炭作為基礎(chǔ)能源，在我國的能源生產(chǎn)和消費(fèi)中占據(jù)主導(dǎo)地位，可以說，煤炭產(chǎn)業(yè)支撐著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展。專家預(yù)測(cè)，在相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，煤炭的基礎(chǔ)能源地位將繼續(xù)保持。根據(jù)煤炭行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃，到“十二五”末，我國煤炭目標(biāo)產(chǎn)量將為36億噸，大型煤礦采掘機(jī)械化程度達(dá)到95％、中型煤礦80％以上，小型煤礦40％，煤礦開采機(jī)械化率的提高直接帶來的就是煤炭機(jī)械的需求。我國從2009年下半年開始對(duì)煤炭企業(yè)進(jìn)行整合，客觀上大大推動(dòng)了大型現(xiàn)代化煤礦建設(shè)、生產(chǎn)規(guī)?；图夹g(shù)現(xiàn)代化，

2、為大型煤炭機(jī)械的研究和應(yīng)用提供了更大的發(fā)展平臺(tái)。懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為綜掘機(jī)械系統(tǒng)的主力設(shè)備，以其工作方式靈活、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)和能耗小等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于煤及半煤巖巷道的掘進(jìn)，在煤炭開采中發(fā)揮著重要的作用。截齒作為懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作部件，安裝在截割頭上并隨截割頭旋轉(zhuǎn)破碎煤巖。由于掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜，工作面煤巖分布不均、性質(zhì)多變，具有很大的隨機(jī)性。因此，對(duì)掘進(jìn)機(jī)截齒截割煤巖的截割過程進(jìn)行研究，分析煤巖對(duì)截齒載荷狀況，搞清掘進(jìn)機(jī)截割的關(guān)鍵技術(shù)，為建立合理截齒結(jié)構(gòu)，研發(fā)適合我國煤層地質(zhì)條件的國產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)以及建設(shè)高產(chǎn)高效的現(xiàn)代化礦井和發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)具有重要意義。本文提出采用離散元法分析

3、截齒截割煤巖的動(dòng)態(tài)破壞過程，為截齒截割煤巖提供了一種新的研究方法，對(duì)煤炭開采領(lǐng)域的研究與應(yīng)用具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。1.2掘進(jìn)機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.2.1國外掘進(jìn)機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)-11-第1章緒論19世紀(jì)70年代，英國研制出了第一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)。此后，在20世紀(jì)30年代美國發(fā)明了懸臂式掘進(jìn)機(jī)，并將其應(yīng)用在采礦行業(yè)，取得了良好的效果。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)煤炭的需求量越來越大，掘進(jìn)機(jī)的研究和制造取得了空前的成就。發(fā)展至今，懸臂式掘進(jìn)機(jī)已呈現(xiàn)出系列化和多樣化。總體來說，當(dāng)前國外懸臂式掘進(jìn)機(jī)的研究和發(fā)展主要包括以下幾個(gè)方面：掘進(jìn)機(jī)的截割功率逐漸增大，安全可靠性能明顯增強(qiáng)；實(shí)現(xiàn)

4、了推進(jìn)方向和斷面監(jiān)控、電機(jī)功率自動(dòng)調(diào)節(jié)、遙控操作及工況監(jiān)測(cè)和故障診斷等機(jī)電一體化功能；實(shí)現(xiàn)了配套機(jī)載錨桿鉆臂系統(tǒng)、支護(hù)系統(tǒng)以及除塵系統(tǒng)等多功能一體化；向綜合機(jī)組發(fā)展，并已顯示出卓越的高產(chǎn)高效功能，發(fā)展日新月異[1]。自從掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用開始，國外學(xué)者就很重視掘進(jìn)機(jī)截齒截割理論的研究，不少國家進(jìn)行了大量單齒或多齒截割試驗(yàn)，建立了截齒截割受力的數(shù)學(xué)模型，得到一些截割理論，例如前蘇聯(lián)學(xué)者通過大量試驗(yàn)分析，研究影響截齒載荷大小變化的因素；德國、英國等國研究人員在截齒截割試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。前期各國的大量試驗(yàn)和研究為截齒截割理論的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)[2-

5、4]。1.2.2國內(nèi)掘進(jìn)機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)我國對(duì)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的研究起步較晚，20世紀(jì)60年代中期通過引進(jìn)IIK-3型掘進(jìn)機(jī)，并對(duì)其研究、消化吸收，積累了一些設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)的初步經(jīng)驗(yàn)。在1975年由太原煤研所、開灤煤研所等單位共同設(shè)計(jì)，并由佳木斯煤礦機(jī)械有限公司生產(chǎn)的EMI-30(E3)型掘進(jìn)機(jī)誕生，開創(chuàng)了我國自主研制掘進(jìn)機(jī)的先河[5,6]。20世紀(jì)80年代初我國開始大批引進(jìn)煤炭采掘設(shè)備，通過對(duì)國外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)、消化和吸收，推動(dòng)了我國綜掘機(jī)械化的發(fā)展。經(jīng)過近30年的消化吸收和自主研發(fā)，我國研究設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)的技術(shù)日趨成熟，掘進(jìn)機(jī)種類由最初的單一形式，逐漸發(fā)展成輕型、中型、重

6、型等不同機(jī)型，同時(shí)形成了不同系列的產(chǎn)品，主要有煤科總院太原研究院研制的EBJ(Z)系列、佳木斯煤機(jī)廠生產(chǎn)的S系列、煤科總院上海研究院設(shè)計(jì)的EBJ系列等型掘進(jìn)機(jī)[7,8]。目前，我國自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)的掘進(jìn)機(jī)在整體技術(shù)性能方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平，基本能夠滿足我國現(xiàn)階段煤炭采掘需求，并開始走向了國際市場。-11-第1章緒論在今后相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，我國掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面：掘進(jìn)機(jī)的適用范圍擴(kuò)展到半煤巖及全巖石巷道及工程隧道等領(lǐng)域；研究適用于全巖巷道的掘進(jìn)機(jī)，向重型化發(fā)展；開發(fā)適合薄煤層及半煤巖巷道的矮、窄機(jī)身中型掘進(jìn)機(jī)；進(jìn)一步提高掘進(jìn)機(jī)的機(jī)械可靠性；開發(fā)研

7、制集切割、裝運(yùn)、行走、錨桿支護(hù)、機(jī)載、除塵等功能為一體的掘進(jìn)機(jī)組，實(shí)現(xiàn)多功能一體化；堅(jiān)持發(fā)展多元化、系列化原則，更好地滿足市場需求并推動(dòng)煤礦掘進(jìn)機(jī)械化的全面發(fā)展。盡管我國掘進(jìn)機(jī)技術(shù)有了較大的提高，但同西方發(fā)達(dá)國家相比還有較大的差距。因此，需結(jié)合我國煤炭領(lǐng)域自身的特點(diǎn)，不斷吸收國外相關(guān)方面的先進(jìn)技術(shù)，加強(qiáng)自主研發(fā)能力，研究適合我國煤炭地質(zhì)條件的機(jī)型。盡快縮短我國與發(fā)達(dá)國家的技術(shù)差距，將我國的掘進(jìn)機(jī)械化裝備提高到一個(gè)新的層次。1.3截齒截割煤巖研究現(xiàn)狀目前，理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬是當(dāng)代科學(xué)研究的重要手段，其中理論分析和試驗(yàn)研究是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，而數(shù)值模擬又?jǐn)U展