高地应力硬岩钻孔诱导卸荷与多截齿协同破岩机理

项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

张强

项目受资助机构

辽宁工程技术大学

项目编号

51504121

立项年度

2015

立项时间

未公开

项目级别

国家级

研究期限

未知 / 未知

受资助金额

22.00万元

学科

工程与材料科学-矿业与冶金工程-矿山开采工程

学科代码

E-E04-E0405

基金类别

青年科学基金项目

关键词

截割能耗 ; 诱导卸荷 ; 协同 ; 岩石强度劣化 ; 截割力 ; deterioration of rock strength ; energy consumption ; cutting force ; collaboration ; induction of unloading

参与者

孙闯;李建刚;王海舰;侯健;田莹;刘志恒;郭桐;石抗抗;吴泽光

参与机构

山东科技大学;桂林电子科技大学

项目标书摘要:高地应力硬岩非爆式掘进失效是深部矿山开采掘进工程中的难题,研究硬岩钻孔诱导卸荷与多截齿协同破岩理论和实验的新方法,是深部矿山掘进亟需开展的基础性工作。项目采用相似模拟实验、岩石弹塑性理论、FLAC3D数值模拟和综合分析相结合的方法,测定硬岩钻孔卸荷过程中的强度劣化和应力转移,建立卸荷钻孔形式与岩石强度指标的关系式,分析岩石强度参数和截割力定量关系,确定截齿截割岩石的应力分布规律,建立截齿截割力的理论模型;分析截线间距、截割厚度、截齿角度对能耗影响规律,建立岩石强度劣化—截割力—截割能耗耦合的数学模型;提出诱导岩石应力释放与截齿截割协同破岩的数值计算方法,研究最佳岩石强度劣化与截线间距、截割厚度、截齿角度的组合,阐明钻孔诱导卸荷与多截齿协同破岩机理与演化规律,在高地应力硬岩掘进技术及岩爆灾害防治等方面具有重要的理论意义和广阔的应用前景。

Application Abstract: The invalid non explosive tunneling under high geostresses is the difficult problem of mines'deep mining and driving project,research on the new method of theoretical and experimental for unloading the hard rock under high geostresses induced by drilling and breaking rock in coordination by combination of multiple cutting tooth,both are the emergent basic work for the driving of deep mine.The project use the method through the combination of similarity simulation experiment,elastic-plastic theory of rock,FLAC 3D numerical simulation and comprehensive analysis,determine the process of strength deterioration and stress transfer during unloading the rock by drilling,relationship among the drilling form for unloading and the intensity target of rock is formulated,analyze the quantitative relationship between the parameter of strength of rock and cutting force,determine the stress distribution law of rock cutting,build a theoretical model of cutting force;build deterioration of rock strength-cutting force-cutting energy consumption mathematical model by analyzing the influence regularity of transversals spacing,cutting thickness and the angle of cutting tooth on energy consumption;research on the combination of the best deterioration of rock strength with transversals spacing,cutting thickness and the angle of cutting tooth,propose the numerical calculation method for leading to relieve rock strength and breaking rock in coordination by combination of multiple cutting tooth,clarify the mechanism and evolutionary law for unloading induced by drilling and breaking rock in coordination by combination of multiple cutting tooth.The research has important theoretical significance and broad application prospects on drilling technology for hard rock under high geostresses and prevention for rock burst.

项目受资助省

辽宁省

项目结题报告(全文)

项目针对岩石巷道掘进过程中,普遍存在掘进速度慢、截齿磨损严重、截割能耗高等问题,开展诱导卸荷理论与多截齿协同破岩的基础研究,分析了硬岩钻孔诱导卸荷过程中的强度劣化和应力转移规律,建立了卸荷钻孔形式与岩石强度指标的关系式,分析了岩石强度参数和截割力的定量关系,确定了截齿截割岩石的应力分析规律,提出了诱导卸荷岩石应力释放与截齿协同破岩数值计算方法,揭示了钻孔诱导卸荷与多截齿协同破岩机理,并在此基础上发明了集中截齿布置等截割部、截齿焊接精准定位与自动化系统装备,项目研究成果在高地应力硬岩掘进技术及岩爆灾害防治等方面具有重要理论意义和应用前景。

  • 排序方式:
  • 1
  • /
  • 1.采煤机截割含断层煤岩截割特性研究

    • 关键词:
    • 含断层煤壁;煤层倾角;螺旋滚筒;截割阻力;生产率;截割比能耗
    • 邹琬莹
    • 指导老师:辽宁工程技术大学 张强
    • 学位论文

    矿井中的厚及中厚煤层近年来被不断开采,煤炭资源已经匮乏,为开发更丰富的煤炭资源,现在已经转向之前很少开采的小断层煤岩领域。然而采煤机螺旋滚筒在截割含小断层煤岩层时的外部载荷会根据煤层倾角的不同有相应的变化。为更明确螺旋滚筒在含小断层煤岩层下的截割性能,本文以MG500/1130-WD采煤机螺旋滚筒为工程研究对象,运用Solid Works建立采煤机螺旋滚筒三维模型,EDEM离散元软件建立含小断层煤壁模型并且将螺旋滚筒三维模型导入该离散元软件中,实现采煤机螺旋滚筒截割含断层煤岩的数值仿真模拟。在不同的煤壁模型下设置不同的牵引速度和截割深度进行仿真模拟,提取仿真过程中的截割阻力、落煤岩质量以及滚筒转矩随时间变化的趋势,并针对每种工况下前滚筒和后滚筒在过断层的不同阶段的截割阻力受力、生产率以及截割比能耗情况进行了详细分析,横向分析获得了每种煤层倾角下牵引速度和截割深度对于前后滚筒过断层时的截割性能影响,纵向分析得到了煤层倾角对采煤机螺旋滚筒截割性能的影响规律。并用统计学中方差分析的方法探究牵引速度、截割深度和煤层倾角单因素以及两两交互作用情况下对于截割性能比能耗的影响程度。研究表明:当煤层倾角相同,螺旋滚筒截割深度相同时,随着牵引速度的增大,螺旋滚筒受到的截割阻力也随之增大。当煤层倾角相同,牵引速度相同时,随着截割深度增大,螺旋滚筒受到的截割阻力也随着增大。当牵引速度相同,螺旋滚筒牵引速度相同时,随着煤层角的增大,螺旋滚筒受到的截割阻力呈现增大的趋势。并通过截割阻力载荷波动系数探究该类型采煤机较可靠的试验工况。通过分析发现,随着煤层倾角的升高,采煤机的生产率呈下降趋势。其他条件一定时,采煤机的牵引速度与截割比能耗大致成幂函数关系。截割比能耗随着牵引速度的增加而降低,随着截割深度的增加而同步增加,随着煤层倾角的增加而增大。单因素情况下截割参数对于截割比能耗的影响程度从大到小排列为牵引速度、截割深度和煤层倾角,两两交互作用时对于截割比能耗影响最大的组合为牵引速度×截割深度。本文研究内容为采煤机螺旋滚筒截割含断层煤岩选择截割参数提供了较优方案,为提高采煤机截割含断层煤岩的实际情况提供了一定的理论支持。该论文有图48幅,表14个,参考文献65篇

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  • 2.采煤机截齿破岩机理与载荷重构研究

    • 关键词:
    • 采煤机;煤岩截割机理;载荷重构;实验研究
    • 王鑫
    • 指导老师:辽宁工程技术大学 毛君
    • 学位论文

    采煤机截齿破岩机理及其载荷特性研究是滚筒结构优化设计的理论基础,也是采煤机系统动态特性分析的关键问题之一,虽然国内外对相关研究已做过大量的工作,但有关采煤机滚筒破碎煤岩过程至今尚未被彻底掌握,以此,本文采用理论建模、数值模拟与实验验证相结合的方法,深入研究截齿作用下煤岩的弹性变形-塑性变形-断裂过程,并对截齿载荷进行重构,主要内容如下:针对现有截齿截割煤岩模型多未考虑煤岩的弹-塑-脆性物理特性的问题,基于弹性力学、塑性力学和断裂力学理论,在弹性变形阶段,将截齿外形作适当的简化并作为刚性体,将煤体视为无限半空间弹性体,得出了截齿与煤壁相互作用时,截齿截割力的计算公式以及煤岩体的应力和位移公式;在塑性变形阶段,采用广义米赛斯屈服条件,考虑了煤岩体材料独有的、不同于金属材料的黏聚力和内摩擦力,构建了截齿与煤岩体相互作用时,截齿截割力学模型;在脆性断裂阶段,根据裂纹形式,采用复变函数的方法得出裂隙周围的应力及位移表达式,依据公式化出裂隙区域的应力云图,最后考虑截齿截割角度的影响,构建了三种状态下截齿截割载荷模型,并通过实验进行了验证,揭示了煤岩在弹-塑-脆性物理性能影响下的截齿破岩机理。根据采煤机滚筒的结构特性和截割工艺特征,分析了影响滚筒截割载荷的影响因素,采用几何学和机械系统运动学理论,建立了采煤机在正常、端帮、特殊、斜切进刀截割四种工况下截齿运动学模型,获得了截齿运行学三维轨迹,结合截齿截割机理模型,并综合考虑截齿的排布形式、滚筒转速、采煤机的牵引速度等影响因素,构建了滚筒截割煤岩力学模型,设计了滚筒载荷数值求解路线,获得了滚筒载荷的时间历程曲线,并运用数理统计的方法研究了煤岩硬度、行走牵引速度、滚筒转速等因素对滚筒载荷特性的影响规律,结果表明:滚筒三向力的均值、峰值随着牵引速度的增大而增大,牵引速度对截割阻力和牵引阻力的波动系数的影响较小,但对侧向阻力的波动系数影响较大;截齿顺序式排布对滚筒三向力的均值和峰值影响较大,混合式次之、棋盘式最小,截齿混合式排布对波动系数最大,棋盘式次之,顺序式最小;滚筒三向力的均值、峰值随着滚筒转速的增大而减小,而波动系数随着滚筒转速的增大而增大。在1:1模拟煤矿井下环境综采成套装备实验台基础上,设计了截齿三向载荷测试传感器,完成了采煤机正常、斜切、端帮截割三种工况下截齿载荷测试,针对实验数据中存在大量噪声的问题,提出了基于改进小波阈值的信号去噪方法,实现了干扰噪声信号的去除,并保留了原信号中的突变信息,获取了三种工况下更为真实滚筒的截割载荷,并将其与滚筒截割载荷模型进行对比,验证了模型的正确性。本文研究成果可为采煤机、掘进机及类似钻探设备的破岩载荷分析提供理论支撑。并为滚筒的设计与优化、采煤机系统动态特性和可靠性分析提供理论支撑,有一定的工程价值与理论意义。该论文有图90幅,表16个,参考文献160篇。

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