1、第二章第二章 煤岩破碎理论煤岩破碎理论 采掘机械的工作对象是煤和岩石，工作机构破碎煤岩采掘机械的工作对象是煤和岩石，工作机构破碎煤岩矿体是采掘机械最主要的功能。矿体是采掘机械最主要的功能。煤岩破碎理论煤岩破碎理论是研究机械破落煤岩过程中，刀具与煤、是研究机械破落煤岩过程中，刀具与煤、岩体相互作用的有关能量转换、破碎机理和受力分析等岩体相互作用的有关能量转换、破碎机理和受力分析等问题的一门学科。研究煤岩破碎理论，对设计、制造和问题的一门学科。研究煤岩破碎理论，对设计、制造和使用采掘机械起着理论指导作用。使用采掘机械起着理论指导作用。第一节第一节 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质 煤岩是非均质
2、、非连续和各向异性的脆性物质，赋存煤岩是非均质、非连续和各向异性的脆性物质，赋存地下的煤岩体内部还受地应力的作用。地下的煤岩体内部还受地应力的作用。一、煤岩的物理性质一、煤岩的物理性质 密度、孔隙度、含水量、松散性、稳定性、导电性、密度、孔隙度、含水量、松散性、稳定性、导电性、传热性等，与采掘机械的工作密切相关的性质有：传热性等，与采掘机械的工作密切相关的性质有：第一节第一节 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质 1密度密度 单位体积煤岩在干燥状态下的质量。单位体积煤岩在干燥状态下的质量。在在1.31.45t/m3变化，计算时取变化，计算时取1.35 t/m3。2湿度湿度 煤岩的湿度用其含水率
3、表示。含水率指在煤岩的缝隙煤岩的湿度用其含水率表示。含水率指在煤岩的缝隙中存留的水的质量与煤岩固体质量之比。中存留的水的质量与煤岩固体质量之比。含水率高的煤岩体，结构被弱化，强度明显降低。开含水率高的煤岩体，结构被弱化，强度明显降低。开采时功率消耗会明显降低，粉尘也将减少。但巷道围岩采时功率消耗会明显降低，粉尘也将减少。但巷道围岩易产生变形，巷道维护的难度增加。易产生变形，巷道维护的难度增加。第一节第一节 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质 3松散性松散性 煤岩被破碎后其容积增大的性能。煤岩被破碎后其容积增大的性能。破碎后与破碎前煤岩的容积之比破碎后与破碎前煤岩的容积之比松散比松散比(或松散
4、或松散系数系数)。4稳定性稳定性煤岩暴露出自由面以后，不致塌陷的性能。煤岩暴露出自由面以后，不致塌陷的性能。二、煤岩的机械性质二、煤岩的机械性质 煤岩体受到机械施加的外力时所表现的性质。煤岩体受到机械施加的外力时所表现的性质。在破碎煤岩时，借助于煤岩的机械性质选择对煤岩在破碎煤岩时，借助于煤岩的机械性质选择对煤岩体作用力的形式、破岩工具的种类和形状。体作用力的形式、破岩工具的种类和形状。煤岩的机械性质主要包括弹性、塑性、脆性、强度、煤岩的机械性质主要包括弹性、塑性、脆性、强度、硬度、坚固性、截割阻抗、磨砺性等。硬度、坚固性、截割阻抗、磨砺性等。第一节第一节 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质
5、1.强度强度 煤岩体在一定条件下受外力作用开始破坏时所具有煤岩体在一定条件下受外力作用开始破坏时所具有的极限应力值。的极限应力值。y：j：l=1：(0.10.4)：(0.030.1)在设计采煤机械时，应尽量利用拉伸或剪切破坏，在设计采煤机械时，应尽量利用拉伸或剪切破坏，以减少刀具受力和能耗。以减少刀具受力和能耗。层理和节理发育的煤岩体，其强度要低于层理和节层理和节理发育的煤岩体，其强度要低于层理和节理不发育的煤岩体；沿垂直层理方向的强度要高于平行理不发育的煤岩体；沿垂直层理方向的强度要高于平行层理方向的强度。层理方向的强度。煤岩为非均质材料，各向异性，抗压、抗剪和抗煤岩为非均质材料，各向异性，
6、抗压、抗剪和抗拉强度关系：拉强度关系：第一节第一节 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质2.硬度硬度 煤岩抵抗尖锐工具侵入的性能。煤岩抵抗尖锐工具侵入的性能。反映煤岩体在较小的局部面积上抵抗外力作用而不反映煤岩体在较小的局部面积上抵抗外力作用而不被破坏的能力，大小取决于煤岩体的结构、组成颗粒的被破坏的能力，大小取决于煤岩体的结构、组成颗粒的硬度、形状和排列方式等。硬度、形状和排列方式等。硬度越大，截割、钻凿越困难。硬度越大，截割、钻凿越困难。3接触强度接触强度 按实验测压头上的载荷值与压头下表面积之比计算按实验测压头上的载荷值与压头下表面积之比计算 nSPpniik1 pk岩石接触强度，岩石接
7、触强度，MPa；Pi岩石材料脆性破坏瞬间的压头载岩石材料脆性破坏瞬间的压头载荷，荷，N；n压头下压次数；压头下压次数；S压头下表面积，压头下表面积，mm2。第一节第一节 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质 接触强度在掘进机设计与使用中经常遇到。接触强度在掘进机设计与使用中经常遇到。前苏联根据接触强度值的大小，岩石分六类：松软，前苏联根据接触强度值的大小，岩石分六类：松软，次中等坚固，中等坚固，坚固，很坚固和极坚固。次中等坚固，中等坚固，坚固，很坚固和极坚固。4弹性、塑性与脆性弹性、塑性与脆性 弹性、塑性与脆性反映煤岩受外力作用与其变形之弹性、塑性与脆性反映煤岩受外力作用与其变形之间关系的性质
8、。间关系的性质。弹性：弹性：所受外力撤消后煤岩恢复原来形状的性能。所受外力撤消后煤岩恢复原来形状的性能。破碎弹性较高的煤岩，消耗的能量较多，且由于弹性变破碎弹性较高的煤岩，消耗的能量较多，且由于弹性变形，破碎也比较困难。形，破碎也比较困难。塑性：塑性：所受外力消失后煤岩不能恢复原来形状的性所受外力消失后煤岩不能恢复原来形状的性能。破碎塑性高的煤岩，消耗的能量较多。能。破碎塑性高的煤岩，消耗的能量较多。脆性：脆性：煤岩破碎时不带残余变形的性能。脆性高的煤岩破碎时不带残余变形的性能。脆性高的煤岩，容易破碎，消耗的能量也较小。煤岩，容易破碎，消耗的能量也较小。第一节第一节 煤岩的物理机械性质煤岩的物
9、理机械性质5坚固性坚固性 表示煤岩破碎难易程度的综合指标，是煤岩体抵抗拉表示煤岩破碎难易程度的综合指标，是煤岩体抵抗拉压、剪切、弯曲和热力等作用的综合表现。压、剪切、弯曲和热力等作用的综合表现。坚固性系数坚固性系数(普氏系数普氏系数)表示煤岩的坚固性大小。表示煤岩的坚固性大小。捣碎法测量坚固性系数捣碎法测量坚固性系数 根据煤岩的极限抗压强度根据煤岩的极限抗压强度(MPa)近似确定近似确定 330yyf f4为煤，为煤，f=48为中等坚固岩石，为中等坚固岩石，f8为坚固岩石。为坚固岩石。煤分三级，软煤煤分三级，软煤f3。在设计采煤机械时，应尽量利用拉伸或剪切破坏，以减少刀具受力和能耗。表征煤岩磨
10、砺性参数：脆性高的煤岩，容易破碎，消耗的能量也较小。单位体积煤岩在干燥状态下的质量。第二节 煤岩破碎理论煤岩对金属、硬质合金或其他固体磨蚀的能力磨砺性(研磨性)。第三节 截割刀具二、煤岩的机械性质采掘机械应用于截割煤岩的刀具截齿。N1和N 2-作用在两侧面上的法向力；粉碎体挤压周围岩体，使裂纹沿着剪切应力或拉伸应力的迹线延伸扩展到岩体自由面，崩落大的碎片；用于评价截割时煤层的可破碎性。齿头和齿柄。层理和节理发育的煤岩体，其强度要低于层理和节理不发育的煤岩体；一、煤岩的物理性质用于评价截割时煤层的可破碎性。第三节 截割刀具煤岩暴露出自由面以后，不致塌陷的性能。切削深度：截齿截割煤岩体的深度煤岩的
11、磨励性与其石英含量、石英核直径和抗拉强度有关。第一节第一节 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质6截割阻抗截割阻抗 截割阻抗比普氏系数更能确切地反映煤的可截割性截割阻抗比普氏系数更能确切地反映煤的可截割性能，作为采掘机械设计和选型的主要技术参数。能，作为采掘机械设计和选型的主要技术参数。截割阻抗：截割阻抗：单位截割深度作用于刀具上的截割阻力，单位截割深度作用于刀具上的截割阻力，A(kN/m)表示。表示。1，9-立柱；2-刀杆；3-卡紧器；4-刀具；5-测力传感器；6-记录仪；7-电动机；8-绞车 hZA-刀具截割阻力平均值，kNh-截割深度，m第一节第一节 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质
12、 为得到工作面的为得到工作面的A值，在工作面接近顶板、底板、截值，在工作面接近顶板、底板、截高中间处，以及沿煤层倾斜方向不同部位进行多次测量，高中间处，以及沿煤层倾斜方向不同部位进行多次测量，取其平均值作为该工作面的取其平均值作为该工作面的A值。值。煤层按截割阻抗分：煤层按截割阻抗分：A180kN/m的煤为软煤，适合用各种刨煤机特别是的煤为软煤，适合用各种刨煤机特别是脆性煤层适于刨煤机；脆性煤层适于刨煤机；A=180240kN/m的煤为中硬煤，其中韧性煤适合用的煤为中硬煤，其中韧性煤适合用采煤机，脆性煤适于滑行刨煤机；采煤机，脆性煤适于滑行刨煤机；A=240360kN/m的煤为硬煤，韧性煤须用
13、大功率采的煤为硬煤，韧性煤须用大功率采煤机，脆性煤可用滑行刨煤机。煤机，脆性煤可用滑行刨煤机。截割阻抗与坚固性系数关系：截割阻抗与坚固性系数关系：A=150f 统计资料，也存在统计资料，也存在A=100f第一节第一节 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质7磨砺性磨砺性 刀具在截割过程中接触煤岩而被磨损，引起截割阻刀具在截割过程中接触煤岩而被磨损，引起截割阻力和生产费用增加，使采掘机械工作性能和开机率降低。力和生产费用增加，使采掘机械工作性能和开机率降低。煤岩对金属、硬质合金或其他固体磨蚀的能力煤岩对金属、硬质合金或其他固体磨蚀的能力磨砺性磨砺性(研磨性研磨性)。煤岩的磨励性与其石英含量、石英核
14、直径和抗拉强煤岩的磨励性与其石英含量、石英核直径和抗拉强度有关。度有关。表征煤岩磨砺性参数：表征煤岩磨砺性参数：磨蚀系数磨蚀系数 磨砺性指标磨砺性指标 第一节第一节 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质8破碎特性指数破碎特性指数在碎煤总量中块度分布服从统计分布规律在碎煤总量中块度分布服从统计分布规律)exp(1mdWW直径不超过直径不超过d(mm)的碎煤占试样总量的百分比；的碎煤占试样总量的百分比；由截割方法和参数决定的破碎程度参数；由截割方法和参数决定的破碎程度参数；m破碎特性指数，对于具体煤层为常数，一般为破碎特性指数，对于具体煤层为常数，一般为0.41.3，与截割工况无关。与截割工况无关
15、。破碎特性指数是确定脆性程度指数的基础，也用于破碎特性指数是确定脆性程度指数的基础，也用于煤层煤尘生成能力的分级。煤层煤尘生成能力的分级。第一节第一节 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质10截割可碎性指标截割可碎性指标用于评价截割时煤层的可破碎性。用于评价截割时煤层的可破碎性。138.0BAR kWhcm/m3 指标与截割的工况和参数无关，仅取决于煤层的指标与截割的工况和参数无关，仅取决于煤层的截割阻抗和脆性，综合反映煤层在稳定的工况参数下截割阻抗和脆性，综合反映煤层在稳定的工况参数下破碎的可能性。破碎的可能性。按照截割可碎性指标，原苏联将煤层分七类，极按照截割可碎性指标，原苏联将煤层分七类
16、，极软软04，软，软4.19，中硬，中硬9.116，超中硬，超中硬16.125，硬，硬25.136，极硬，极硬36.149，特硬，特硬49。9脆性程度指数脆性程度指数:4.8)3.2exp(2mmB第二节第二节 煤岩破碎理论煤岩破碎理论 钻孔爆破：钻孔爆破：机械破碎：机械破碎：滚筒采煤机、刨煤机、掘进机等都是用刀滚筒采煤机、刨煤机、掘进机等都是用刀具采用切削方法截割破碎煤岩。具采用切削方法截割破碎煤岩。切削破岩；冲击破岩切削破岩；冲击破岩。一、切削破岩机理一、切削破岩机理 楔裂说、剪裂说、密实核说、断裂力学说和剪切楔裂说、剪裂说、密实核说、断裂力学说和剪切变形说等。变形说等。1楔裂说楔裂说英国
17、学者埃文斯提出。英国学者埃文斯提出。澳大利亚学者洛克包洛夫通过实验证实，楔裂说澳大利亚学者洛克包洛夫通过实验证实，楔裂说适用于切削砂岩、石灰岩和硬石膏的过程。适用于切削砂岩、石灰岩和硬石膏的过程。第二节第二节 煤岩破碎理论煤岩破碎理论2剪裂说剪裂说 日本学者西松裕一建立的切削破岩模型，认为岩石日本学者西松裕一建立的切削破岩模型，认为岩石的切削破落遵守库仑的切削破落遵守库仑莫尔准则。莫尔准则。3密实核说密实核说 拉伸和剪切联合作用的拉伸和剪切联合作用的切削破煤切削破煤(岩岩)机理学说，以机理学说，以俄罗斯别隆为代表。俄罗斯别隆为代表。第二节第二节 煤岩破碎理论煤岩破碎理论二、冲击破岩机理二、冲击
18、破岩机理 凿岩机活塞往复运动产生冲击力，使钎头侵入岩体，凿岩机活塞往复运动产生冲击力，使钎头侵入岩体，形成破碎坑，又由于钎头的转动，使破碎坑扩展成孔眼，形成破碎坑，又由于钎头的转动，使破碎坑扩展成孔眼，并逐渐形成一定深度的钻孔。并逐渐形成一定深度的钻孔。第二节第二节 煤岩破碎理论煤岩破碎理论岩体脆性破碎形成破碎坑岩体脆性破碎形成破碎坑步骤：步骤：压碎钎头前岩石上的小突起，形成压痕；压碎钎头前岩石上的小突起，形成压痕；岩体产生弹性变形并产生径向主裂纹；岩体产生弹性变形并产生径向主裂纹；钎头前的岩石被压碎，形成粉碎体；钎头前的岩石被压碎，形成粉碎体；粉碎体挤压周围岩体，使裂纹沿着剪切应力或拉伸粉碎
19、体挤压周围岩体，使裂纹沿着剪切应力或拉伸应力的迹线延伸扩展到岩体自由面，崩落大的碎片；应力的迹线延伸扩展到岩体自由面，崩落大的碎片；重复循环上述过程，最终形成破碎坑。重复循环上述过程，最终形成破碎坑。第二节第二节 煤岩破碎理论煤岩破碎理论 载荷与钎头侵入岩体深度关系曲线：载荷与钎头侵入岩体深度关系曲线：钎头凿岩的过程一般是钎头凿岩的过程一般是脆性破碎脆性破碎。AB段形成粉碎体。段形成粉碎体。在在B点出现脆性崩裂，在点出现脆性崩裂，在BC段因崩出碎块而粉碎体缩小，段因崩出碎块而粉碎体缩小，载荷随着降低。载荷随着降低。CD段和段和EF段重复段重复AB段的情况，在段的情况，在DE段和段和FG段重复段
20、重复BC段的情况，直至在段的情况，直至在FG段形成破碎坑。段形成破碎坑。某些条件下，凿岩过程中岩石呈某些条件下，凿岩过程中岩石呈塑性破碎塑性破碎。在。在AB段形成粉碎体，在段形成粉碎体，在BC段粉碎体破裂，在段粉碎体破裂，在CD段卸载形段卸载形成破碎坑。整个过程比较平缓。成破碎坑。整个过程比较平缓。第三节第三节 截割刀具截割刀具第三节第三节 截割刀具截割刀具刀具截割破碎煤岩。刀具截割破碎煤岩。采掘机械应用于截割煤岩的刀具采掘机械应用于截割煤岩的刀具截齿。截齿。截齿的结构型式和几何参数要适应煤岩机械性质和截齿的结构型式和几何参数要适应煤岩机械性质和截割机构的形式。截割机构的形式。截齿应具有足够的
21、强度和耐磨性，且固定简单可靠，截齿应具有足够的强度和耐磨性，且固定简单可靠，以减少更换截齿的时间。截齿是易损件，应便于批量生以减少更换截齿的时间。截齿是易损件，应便于批量生产，便于修磨复用，以减少生产费用。截齿参予截割的产，便于修磨复用，以减少生产费用。截齿参予截割的部分几何形状要兼顾强度、耐磨性和比能耗的要求。部分几何形状要兼顾强度、耐磨性和比能耗的要求。截齿组成：截齿组成：齿体和硬质合金头。齿体和硬质合金头。齿头和齿柄。齿头和齿柄。第三节第三节 截割刀具截割刀具 齿体：齿体：截齿不包含硬质合金头的母体部分。截齿不包含硬质合金头的母体部分。齿头：齿头：截齿头部伸出齿座的部分，顶部焊接截齿头部
22、伸出齿座的部分，顶部焊接(或镶嵌或镶嵌)硬质合金头。硬质合金头。齿柄：齿柄：截齿可装入齿座的部分，形状有长方体、圆柱截齿可装入齿座的部分，形状有长方体、圆柱体。体。按截齿齿头几何形状分按截齿齿头几何形状分扁形截齿扁形截齿和和锥形截齿锥形截齿。截齿是用来截割煤体的刀具，其几何形状和质量直截齿是用来截割煤体的刀具，其几何形状和质量直接影响采煤机的工况、能耗、生产率和吨煤成本。接影响采煤机的工况、能耗、生产率和吨煤成本。经验证明，改进截齿结构，适当加大截齿长度，增经验证明，改进截齿结构，适当加大截齿长度，增大切削深度，可以提高煤的块度，降低煤尘。大切削深度，可以提高煤的块度，降低煤尘。按截齿安装方式
23、分按截齿安装方式分径向截齿径向截齿和和切向截齿切向截齿。第三节第三节 截割刀具截割刀具侧向力 X=(0.第三节 截割刀具第一节 煤岩的物理机械性质截齿组成：齿体和硬质合金头。按截齿齿头几何形状分扁形截齿和锥形截齿。扁形截齿齿柄在齿座内不能回转。煤层按截割阻抗分：层理和节理发育的煤岩体，其强度要低于层理和节理不发育的煤岩体；采掘机械的工作对象是煤和岩石，工作机构破碎煤岩矿体是采掘机械最主要的功能。S压头下表面积，mm2。但巷道围岩易产生变形，巷道维护的难度增加。切向截齿刀身轴线位于齿头阻力R作用方向的变化范围minmax齿柄弯矩比径向截齿小，不易折断。m破碎特性指数，对于具体煤层为常数，一般为0
24、.根据煤岩的极限抗压强度(MPa)近似确定第一节 煤岩的物理机械性质切向截齿齿头形状有扁形和锥形煤岩抵抗尖锐工具侵入的性能。一、煤岩的物理性质f90o时越显得急时越显得急烈：齿头向下的挤压作用增强，破碎的煤岩块难以排出。烈：齿头向下的挤压作用增强，破碎的煤岩块难以排出。截角大，刀头强度高：采煤机截齿截角大，刀头强度高：采煤机截齿=70o75o，采含，采含坚硬夹石层的煤层的截齿坚硬夹石层的煤层的截齿90o，截割硬岩的截齿，截割硬岩的截齿90o。零前角 正前角 负前角截角（o）对截割阻力Z的影响对截齿载荷和截割比能耗影响较大参数：对截齿载荷和截割比能耗影响较大参数：截角截角、后角、后角、截刃宽度、
25、截刃宽度b第三节第三节 截割刀具截割刀具 后角后角对截割阻力对截割阻力Z和牵引阻力和牵引阻力Y的影响：的影响：仅在小于仅在小于10o时显著表现出来。时显著表现出来。后角小，截齿后面与煤岩体的接触面积大，后面上后角小，截齿后面与煤岩体的接触面积大，后面上的摩擦力大，截割和牵引阻力同步增大的摩擦力大，截割和牵引阻力同步增大后角后角和侧和侧后角后角小于小于10o不合理。不合理。为提高刀头强度，可适当小一些。为提高刀头强度，可适当小一些。第三节第三节 截割刀具截割刀具截刃宽度截刃宽度b对截割阻力和截割比能耗的影响规律：对截割阻力和截割比能耗的影响规律：不论截割深度大小，随截刃宽度增大，截割阻力不不论截
26、割深度大小，随截刃宽度增大，截割阻力不断增大，截割比能耗先下降到最低值，再升至稳定值。断增大，截割比能耗先下降到最低值，再升至稳定值。与截割比能耗最低值对应的截刃宽度约为与截割比能耗最低值对应的截刃宽度约为2030mm截刃宽度b对截割阻力和截割比能耗HW的影响第三节第三节 截割刀具截割刀具 截齿径向外伸长度：截齿径向外伸长度：对径向截齿来说是从截刃到齿座对径向截齿来说是从截刃到齿座顶面的距离；对于切向截齿，必须考虑相对于滚筒径向的顶面的距离；对于切向截齿，必须考虑相对于滚筒径向的安装角度。安装角度。截齿径向外伸长度限制了可能达到的最大截割深度。截齿径向外伸长度限制了可能达到的最大截割深度。齿柄
27、矩形截面的宽高比约为齿柄矩形截面的宽高比约为0.50.7，以保证抗纵向，以保证抗纵向弯曲的截面模量足够大。截割岩石的截齿，除采用较大截弯曲的截面模量足够大。截割岩石的截齿，除采用较大截角和整个前面覆盖硬质合金片外，齿柄常为圆形截面。角和整个前面覆盖硬质合金片外，齿柄常为圆形截面。后角对截割阻力Z和牵引阻力Y的影响：仅在小于10o时显著表现出来。全断面掘进机对称型滚压盘刀S压头下表面积，mm2。第一节 煤岩的物理机械性质第三节 截割刀具弹性、塑性与脆性反映煤岩受外力作用与其变形之间关系的性质。钎头前的岩石被压碎，形成粉碎体；第一节 煤岩的物理机械性质A=240360kN/m的煤为硬煤，韧性煤须用
28、大功率采煤机，脆性煤可用滑行刨煤机。岩体产生弹性变形并产生径向主裂纹；层理和节理发育的煤岩体，其强度要低于层理和节理不发育的煤岩体；含水率指在煤岩的缝隙中存留的水的质量与煤岩固体质量之比。切削深度：截齿截割煤岩体的深度切向截齿以齿体轴线与采煤机滚筒或掘进机截割头横截面的圆周切线成锐角安装。截割阻力Z、推进阻力Y、侧向力X在B点出现脆性崩裂，在BC段因崩出碎块而粉碎体缩小，载荷随着降低。第一节 煤岩的物理机械性质为提高刀头强度，可适当小一些。kWhcm/m3采煤机非对称型滚压盘刀第三节第三节 截割刀具截割刀具 切向截齿切向截齿齿头形状有齿头形状有扁形扁形和和锥形锥形 扁形截齿扁形截齿齿柄在齿座内
29、不能回转。齿柄在齿座内不能回转。锥形截齿锥形截齿在截割在截割过程中可在齿座内回转，自动磨锐齿尖。过程中可在齿座内回转，自动磨锐齿尖。切向截齿切向截齿刀身轴线位于齿头阻力刀身轴线位于齿头阻力R作用方向的变化作用方向的变化范围范围minmax齿柄弯矩比径向截齿小，不易折断。齿柄弯矩比径向截齿小，不易折断。切向截齿切向截齿工作时的截角较小，有利于降低比能耗，工作时的截角较小，有利于降低比能耗，且形状简单，便于制作。但齿柄和齿座的长度限制截齿且形状简单，便于制作。但齿柄和齿座的长度限制截齿安装得较稀，且只能装在滚筒轴线的垂直平面内，而不安装得较稀，且只能装在滚筒轴线的垂直平面内，而不宜装在滚筒端盘上。
30、宜装在滚筒端盘上。第三节第三节 截割刀具截割刀具滚压盘刀滚压盘刀 全断面掘进机全断面掘进机对称型滚压盘刀对称型滚压盘刀 采煤机采煤机非对称型滚压盘刀非对称型滚压盘刀 第三节第三节 截割刀具截割刀具 非对称型滚压盘刀装在滚筒螺旋叶片外缘。非对称型滚压盘刀装在滚筒螺旋叶片外缘。轴线垂直滚筒半径而平行滚筒轴线时，主要靠碾压轴线垂直滚筒半径而平行滚筒轴线时，主要靠碾压和楔劈作用碎落煤，目前较多采用。和楔劈作用碎落煤，目前较多采用。轴线接近平行滚筒半径而垂直滚筒轴线时，主要作轴线接近平行滚筒半径而垂直滚筒轴线时，主要作用是截割，适用于较软的煤层。用是截割，适用于较软的煤层。处于两者中间状况时，兼有截割、
31、碾压和楔劈作用。处于两者中间状况时，兼有截割、碾压和楔劈作用。第四节第四节 截齿的截割阻力截齿的截割阻力 截齿三向阻力变化曲线：截齿三向阻力变化曲线：截割阻力截割阻力Z、推进阻力、推进阻力Y、侧向力、侧向力X 第四节第四节 截齿的截割阻力截齿的截割阻力 试验研究表明，靠近切削刃处的作用力最大，远离试验研究表明，靠近切削刃处的作用力最大，远离切削刃处将按双曲线规律急剧衰减切削刃处将按双曲线规律急剧衰减在实际计算中用在实际计算中用集中力代替测出的分布力，然后沿坐标轴进行分解。集中力代替测出的分布力，然后沿坐标轴进行分解。第四节第四节 截齿的截割阻力截齿的截割阻力 N-作用在前刃面上的摩擦力；作用在
32、前刃面上的摩擦力；R-N和和N的合力；的合力；Y1-作用在后刃作用在后刃面上的法向力面上的法向力(近似沿近似沿Y轴的分力轴的分力)；Y1-作用在后刃面上的摩擦力；作用在后刃面上的摩擦力；N1和和N 2-作用在两侧面上的法向力；作用在两侧面上的法向力；X1，X2和和Y1，Y2-N1和和N 2沿沿X轴和轴和Y轴的分力；轴的分力；(N1+N 2)-两侧面的摩擦力；两侧面的摩擦力；-截齿的前角；截齿的前角；-截齿前刃面与煤的摩擦角；截齿前刃面与煤的摩擦角；v-截割速度；截割速度；vq-推进速度推进速度(牵引速度牵引速度)vq第一节 煤岩的物理机械性质煤岩抵抗尖锐工具侵入的性能。第三节 截割刀具反映煤岩
33、体在较小的局部面积上抵抗外力作用而不被破坏的能力，大小取决于煤岩体的结构、组成颗粒的硬度、形状和排列方式等。第二节 煤岩破碎理论在设计采煤机械时，应尽量利用拉伸或剪切破坏，以减少刀具受力和能耗。W直径不超过d(mm)的碎煤占试样总量的百分比；按截齿齿头几何形状分扁形截齿和锥形截齿。齿柄：截齿可装入齿座的部分，形状有长方体、圆柱体。第三节 截割刀具m破碎特性指数，对于具体煤层为常数，一般为0.相邻截齿超前切出一前一后交错的截槽，切屑断面较对称，比顺序式切屑块度大，煤尘较少。粉碎体挤压周围岩体，使裂纹沿着剪切应力或拉伸应力的迹线延伸扩展到岩体自由面，崩落大的碎片；煤岩破碎理论是研究机械破落煤岩过程
34、中，刀具与煤、岩体相互作用的有关能量转换、破碎机理和受力分析等问题的一门学科。按截齿齿头几何形状分扁形截齿和锥形截齿。截割阻抗比普氏系数更能确切地反映煤的可截割性能，作为采掘机械设计和选型的主要技术参数。第五节 截槽形状与截割参数第三节 截割刀具推进阻力 Y=aZ采煤机非对称型滚压盘刀第四节第四节 截齿的截割阻力截齿的截割阻力 Z，Y，Y/Z，Hw和和h关系曲线关系曲线 截割阻力平均值截割阻力平均值 Z=Ah N 推进阻力推进阻力 Y=aZ a极脆煤0.5，脆性煤0.6，韧性煤0.7 侧向力侧向力 X=(0.10.2)Z A截割阻抗；h截割深度第五节第五节 截槽形状与截割参数截槽形状与截割参数
35、 截割力与截槽断面面积成正比，截割力随自由面增截割力与截槽断面面积成正比，截割力随自由面增加而降低。截槽两侧具有崩裂角加而降低。截槽两侧具有崩裂角，随煤质脆性增加随煤质脆性增加而增大，随切削深度而增大，随切削深度h增加而减小。增加而减小。截割参数对截割过程影响也较大截割参数对截割过程影响也较大截割参数：截割参数：截距：截距：相邻截槽的间距相邻截槽的间距 切削深度：切削深度：截齿截割煤岩体的深度截齿截割煤岩体的深度 截齿和一组截齿以主切削刃相对被破碎面的方位截齿和一组截齿以主切削刃相对被破碎面的方位和截齿排列次序，形成各种截槽形状。和截齿排列次序，形成各种截槽形状。第五节第五节 截槽形状与截割参
36、数截槽形状与截割参数 平面截槽平面截槽 半封闭截槽半封闭截槽 封闭截槽：封闭截槽：截割阻力和比能耗最大截割阻力和比能耗最大 截割阻力和比能耗最大截割阻力和比能耗最大 作为标准截槽评价其它截槽作为标准截槽评价其它截槽第五节第五节 截槽形状与截割参数截槽形状与截割参数 自由截槽自由截槽 单边截槽单边截槽 顺序截割及截槽顺序截割及截槽 几个截齿按阶梯顺序进行截割，相邻截齿在牵引方几个截齿按阶梯顺序进行截割，相邻截齿在牵引方向上没有超前切出，但截槽两侧有崩裂出现，切屑断面向上没有超前切出，但截槽两侧有崩裂出现，切屑断面不对称，截齿受非自由面的侧向力较大。不对称，截齿受非自由面的侧向力较大。截割阻力和比
37、能耗最小截割阻力和比能耗最小 截下的煤太碎，比能耗增大截下的煤太碎，比能耗增大第五节第五节 截槽形状与截割参数截槽形状与截割参数 交错交错(棋盘棋盘)截割及截槽截割及截槽 相邻截齿超前切出一前一后交错的截槽，切屑断面相邻截齿超前切出一前一后交错的截槽，切屑断面较对称，比顺序式切屑块度大，煤尘较少。截齿两侧侧较对称，比顺序式切屑块度大，煤尘较少。截齿两侧侧向力基本平衡向力基本平衡侧向力最小。侧向力最小。一般双头或四头螺旋滚筒采用棋盘式排列。一般双头或四头螺旋滚筒采用棋盘式排列。第五节第五节 截槽形状与截割参数截槽形状与截割参数 合理确定截割参数合理确定截割参数：截割比能耗较小，截割阻力不截割比能
38、耗较小，截割阻力不过大，为截齿强度和截齿径向伸出长度所容许。过大，为截齿强度和截齿径向伸出长度所容许。一、煤岩的物理性质一、煤岩的物理性质 密度、孔隙度、含水量、松散性、稳定性、导电性、密度、孔隙度、含水量、松散性、稳定性、导电性、传热性等，与采掘机械的工作密切相关的性质有：传热性等，与采掘机械的工作密切相关的性质有：第一节第一节 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质 1密度密度 单位体积煤岩在干燥状态下的质量。单位体积煤岩在干燥状态下的质量。在在1.31.45t/m3变化，计算时取变化，计算时取1.35 t/m3。2湿度湿度 煤岩的湿度用其含水率表示。含水率指在煤岩的缝隙煤岩的湿度用其含水率
39、表示。含水率指在煤岩的缝隙中存留的水的质量与煤岩固体质量之比。中存留的水的质量与煤岩固体质量之比。含水率高的煤岩体，结构被弱化，强度明显降低。开含水率高的煤岩体，结构被弱化，强度明显降低。开采时功率消耗会明显降低，粉尘也将减少。但巷道围岩采时功率消耗会明显降低，粉尘也将减少。但巷道围岩易产生变形，巷道维护的难度增加。易产生变形，巷道维护的难度增加。第一节第一节 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质 3松散性松散性 煤岩被破碎后其容积增大的性能。煤岩被破碎后其容积增大的性能。破碎后与破碎前煤岩的容积之比破碎后与破碎前煤岩的容积之比松散比松散比(或松散或松散系数系数)。4稳定性稳定性煤岩暴露出自由
40、面以后，不致塌陷的性能。煤岩暴露出自由面以后，不致塌陷的性能。二、煤岩的机械性质二、煤岩的机械性质 煤岩体受到机械施加的外力时所表现的性质。煤岩体受到机械施加的外力时所表现的性质。在破碎煤岩时，借助于煤岩的机械性质选择对煤岩在破碎煤岩时，借助于煤岩的机械性质选择对煤岩体作用力的形式、破岩工具的种类和形状。体作用力的形式、破岩工具的种类和形状。煤岩的机械性质主要包括弹性、塑性、脆性、强度、煤岩的机械性质主要包括弹性、塑性、脆性、强度、硬度、坚固性、截割阻抗、磨砺性等。硬度、坚固性、截割阻抗、磨砺性等。第二节第二节 煤岩破碎理论煤岩破碎理论岩体脆性破碎形成破碎坑岩体脆性破碎形成破碎坑步骤：步骤：压
41、碎钎头前岩石上的小突起，形成压痕；压碎钎头前岩石上的小突起，形成压痕；岩体产生弹性变形并产生径向主裂纹；岩体产生弹性变形并产生径向主裂纹；钎头前的岩石被压碎，形成粉碎体；钎头前的岩石被压碎，形成粉碎体；粉碎体挤压周围岩体，使裂纹沿着剪切应力或拉伸粉碎体挤压周围岩体，使裂纹沿着剪切应力或拉伸应力的迹线延伸扩展到岩体自由面，崩落大的碎片；应力的迹线延伸扩展到岩体自由面，崩落大的碎片；重复循环上述过程，最终形成破碎坑。重复循环上述过程，最终形成破碎坑。第三节第三节 截割刀具截割刀具 齿体：齿体：截齿不包含硬质合金头的母体部分。截齿不包含硬质合金头的母体部分。齿头：齿头：截齿头部伸出齿座的部分，顶部焊
42、接截齿头部伸出齿座的部分，顶部焊接(或镶嵌或镶嵌)硬质合金头。硬质合金头。齿柄：齿柄：截齿可装入齿座的部分，形状有长方体、圆柱截齿可装入齿座的部分，形状有长方体、圆柱体。体。按截齿齿头几何形状分按截齿齿头几何形状分扁形截齿扁形截齿和和锥形截齿锥形截齿。楔裂说、剪裂说、密实核说、断裂力学说和剪切变形说等。日本学者西松裕一建立的切削破岩模型，认为岩石的切削破落遵守库仑莫尔准则。截割阻抗比普氏系数更能确切地反映煤的可截割性能，作为采掘机械设计和选型的主要技术参数。第五节 截槽形状与截割参数第一节 煤岩的物理机械性质m破碎特性指数，对于具体煤层为常数，一般为0.S压头下表面积，mm2。几个截齿按阶梯顺
43、序进行截割，相邻截齿在牵引方向上没有超前切出，但截槽两侧有崩裂出现，切屑断面不对称，截齿受非自由面的侧向力较大。全断面掘进机对称型滚压盘刀煤岩是非均质、非连续和各向异性的脆性物质，赋存地下的煤岩体内部还受地应力的作用。破碎弹性较高的煤岩，消耗的能量较多，且由于弹性变形，破碎也比较困难。第五节 截槽形状与截割参数第五节 截槽形状与截割参数单位体积煤岩在干燥状态下的质量。A180kN/m的煤为软煤，适合用各种刨煤机特别是脆性煤层适于刨煤机；第二章 煤岩破碎理论齿柄：截齿可装入齿座的部分，形状有长方体、圆柱体。煤岩暴露出自由面以后，不致塌陷的性能。单位体积煤岩在干燥状态下的质量。不论截割深度大小，随
44、截刃宽度增大，截割阻力不断增大，截割比能耗先下降到最低值，再升至稳定值。第三节第三节 截割刀具截割刀具滚压盘刀滚压盘刀 全断面掘进机全断面掘进机对称型滚压盘刀对称型滚压盘刀 采煤机采煤机非对称型滚压盘刀非对称型滚压盘刀 第四节第四节 截齿的截割阻力截齿的截割阻力 第五节第五节 截槽形状与截割参数截槽形状与截割参数 截割力与截槽断面面积成正比，截割力随自由面增截割力与截槽断面面积成正比，截割力随自由面增加而降低。截槽两侧具有崩裂角加而降低。截槽两侧具有崩裂角，随煤质脆性增加随煤质脆性增加而增大，随切削深度而增大，随切削深度h增加而减小。增加而减小。截割参数对截割过程影响也较大截割参数对截割过程影
45、响也较大截割参数：截割参数：截距：截距：相邻截槽的间距相邻截槽的间距 切削深度：切削深度：截齿截割煤岩体的深度截齿截割煤岩体的深度 截齿和一组截齿以主切削刃相对被破碎面的方位截齿和一组截齿以主切削刃相对被破碎面的方位和截齿排列次序，形成各种截槽形状。和截齿排列次序，形成各种截槽形状。齿体：截齿不包含硬质合金头的母体部分。推进阻力 Y=aZ几个截齿按阶梯顺序进行截割，相邻截齿在牵引方向上没有超前切出，但截槽两侧有崩裂出现，切屑断面不对称，截齿受非自由面的侧向力较大。切向截齿刀身轴线位于齿头阻力R作用方向的变化范围minmax齿柄弯矩比径向截齿小，不易折断。为提高刀头强度，可适当小一些。截距：相邻
46、截槽的间距截割阻力和比能耗最小截割阻力Z、推进阻力Y、侧向力X第二节 煤岩破碎理论按截齿齿头几何形状分扁形截齿和锥形截齿。经验证明，改进截齿结构，适当加大截齿长度，增大切削深度，可以提高煤的块度，降低煤尘。齿柄：截齿可装入齿座的部分，形状有长方体、圆柱体。(N1+N 2)-两侧面的摩擦力；含水率指在煤岩的缝隙中存留的水的质量与煤岩固体质量之比。第一节 煤岩的物理机械性质截齿组成：齿体和硬质合金头。第五节 截槽形状与截割参数采掘机械应用于截割煤岩的刀具截齿。截割岩石的截齿，除采用较大截角和整个前面覆盖硬质合金片外，齿柄常为圆形截面。齿头：截齿头部伸出齿座的部分，顶部焊接(或镶嵌)硬质合金头。第一节 煤岩的物理机械性质第五节第五节 截槽形状与截割参数截槽形状与截割参数 合理确定截割参数合理确定截割参数：截割比能耗较小，截割阻力不截割比能耗较小，截割阻力不过大，为截齿强度和截齿径向伸出长度所容许。过大，为截齿强度和截齿径向伸出长度所容许。
