磨料浆体射流联合刀具截割薄煤层性能研究

Making use of the characteristics of abrasive suspension jet (ASJ), that is, compact system structure, low working pressure and strong cutting ability, the project will carry out study on the dynamic behaviors of cutting thin coal seam with ASJ and cutters, in order to solve the problems in wear of cutters and difficulty of mining caused by narrow space and rocks within thin coal seam. It mainly includes building a model reflecting the non-Newtonian characteristics of ASJ, building theory of rock breaking with ASJ, seeking the optimal ASJ parameters for thin coal seam mining, building the dynamic model of rock breaking by ASJ and cutters, analyzing the stress filed in rocks under the action of ASJ and cutters, finding out the relationship between rock properties and parameters of the system combined with ASJ and cutters, building the self-control model for pressure and flow rate of the ASJ system. Experiments on rock breaking by ASJ and cutters will be carried out to study the load of cutters, rock breaking efficiency and cutting specific energy consumption with ASJ, to find out the optimum parameters and to improve the adaptability of cutters for hard coal and rock. It will provide a new method for safe and effective mining of thin coal seam.

针对薄煤层因矸石含量高导致截割刀具磨损严重、采掘困难的问题，本项目以提高破碎煤岩能力与效率为研究目标，利用磨料浆体射流可靠、安全、高效切割的特点，开展磨料浆体射流联合刀具截割薄煤层性能研究，主要研究内容包括：建立磨料浆体射流非牛顿流体特性模型，建立浆体射流破岩理论，寻求适合薄煤层开采的最佳浆体射流参数；建立磨料浆体射流联合刀具破岩动力学模型，研究煤岩体在浆体射流与刀具共同作用下的应力应变场，寻找磨料浆体射流与刀具耦合系统的工作参数与煤岩体特性间的关系，构建磨料浆体射流系统工作压力、流量的自动控制模式；开展磨料浆体射流联合刀具破岩试验研究，探索在浆体射流切槽情况下刀具受载、破岩效率、截割比能耗等参数间的关系，寻求联合破岩系统的最优参数，提高截割刀具对坚硬煤岩的适应性。研究成果为薄煤层的高效安全开采提供一种新方法。

针对复杂地质（含硬夹矸、断层以及金属化合物结核等）薄煤层开采过程中存在的刀具磨损严重，开采效率低下等问题，本项目提出将磨料浆体射流引入薄煤层开采中，利用磨料射流的高速冲击特性，联合滚筒采煤机截齿联合破岩，实现薄煤层的高效安全开采。一是以揭示磨料浆体射流联合截齿耦合破岩机理为目标，运用流体力学、损伤与断裂力学、有限元等理论与方法，建立磨料浆体射流非牛顿流体特性模型，建立磨料浆体射流冲击岩石动静态应力应变分布模型，建立磨料射流与截齿联合破岩动力学模型，得出联合系统耦合作用下岩石的动态破碎过程，补充了岩石破碎理论，具有重要的学术价值。二是以提高联合系统破碎煤岩能力与效率、降低刀具受力及磨损速度为目标，设计研发新型磨料浆体射流系统，搭建磨料浆体射流联合单截齿破岩试验台，开发磨料射流联合多刀具岩石截割机构，构建自适应磨料浆体射流系统，深入开展磨料浆体射流联合刀具截割薄煤层性能研究，得出适合薄煤层开采的最佳磨料浆体射流参数和配置方式。研究结果表明：提出的三种射流联合截齿破岩形式中，最佳配置方式为射流置于截齿中心，其次是射流置于截齿之前，效果最差的是射流置于截齿之后；构建的自适应磨料浆体射流系统可实现40MPa磨料浆体射流联合截齿截割硬岩，5MPa浆体射流辅助截齿截割煤层；当截割速度大于0.2m/s时，自控水力截齿的动态响应特性较好，能够有效解决工作面积水问题；磨料浆体射流联合单截齿破岩研究中，当磨料浆体射流压力为46MPa时，截齿所受截割阻力最小，减小百分比为34.27%；磨料浆体射流联合多截齿破岩研究中，当磨料浆体射流压力为40MPa时，设有中置射流式截齿的截割机构所受扭矩、阻力以及能耗最小，扭矩最大降低46.2%，推进最大降低40.5%，破岩比能耗最大降低35.1%。研究成果证明了磨料浆体射流能有效降低刀具磨损，提高破岩效率，为复杂地质薄煤层采掘装备磨料浆体射流联合滚筒破岩装备的研发提供了理论基础和数据支撑，具有重要的实际应用意义。