基于煤岩特性的镐型截齿破煤过程研究

摘要

扩大开采范围，加大对难开采煤层的开采量是提高我国煤炭资源回采率，促进煤炭行业由数量速度粗放型向质量效益集约型转变重要方式。本文在分析薄、极薄煤层，含包裹体煤层，小断层煤层等难开采煤层力学特性的基础上，采用ANSYS/LS-DYNA动态仿真模拟的方法，分别研究了截割刀具——镐型截齿截割含不同特性的难开采煤岩时截割力的波动情况。具体完成以下研究内容：
　　（1）分析含层理、裂隙、包裹体、小断层和顶底板等特性煤岩的结构和力学性质，确定了可以准确反映煤岩和包裹体、小断层、顶底板等特性的材料模型；并对滚筒采煤机开采煤岩过程进行分析简化，为建立镐型截齿破煤三维模型奠定基础。
　　（2）基于分形理论，分析煤岩中裂隙的长度与条数的函数关系，研究层理与裂隙在煤岩中分布的特点上，建立了含有层理和裂隙的煤岩三维模型，模拟了镐型截齿截割含层理和裂隙煤岩的过程，结果表明：层理和裂隙可以减小煤岩整体的强度，有利于镐型截齿破煤，且层理和裂隙的分布对镐型截齿破煤也有一定的影响。
　　（3）在对煤岩中包裹体分布特征分析的基础上，采用均匀分布描述包裹体在煤岩切面的长、宽和横纵坐标，依据包裹体的数值模拟参数，建立了含有包裹体的煤岩三维模型，模拟了镐型截齿截割含包裹体煤岩的过程，结果表明：包裹体的大小和在煤岩中的位置是影响镐型截齿破煤的主要因素。
　　（4）基于煤岩中小断层的存在方式和破煤过程中镐型截齿截割到煤岩顶板和底板的方式，分别建立力了含有小断层和顶底板的煤岩三维模型，应用动态仿真软件分别模拟了镐型截齿截割含小断层和顶底板煤岩的过程，分析了小断层和顶底板对镐型截齿破煤的影响，结果表明：小断层和顶底板对镐型截齿破煤的影响较大，其中煤岩顶板对镐型截齿破煤的影响最大。

目录

声明

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 研究现状

1.4 本文的主要研究内容和方法

2 煤岩结构力学特性分析

2.1 层理的结构力学特性分析

2.2 裂隙的结构力学特性分析

2.3 包裹体和小断层的结构力学特性分析

2.4 顶底板的结构力学特性分析

2.5 本章小结

3 采煤机镐型截齿破煤过程模型的建立

3.1 采煤机破煤过程

3.2 镐型截齿的结构与破煤原理

3.3 镐型截齿破煤过程三维模型的建立

3.4 材料模型的选择及力学参数的设定

3.5 本章小结

4 层理和裂隙对镐型截齿破煤的影响

4.1 基于分形理论煤岩裂隙的研究

4.2 含层理和裂隙煤岩模型的建立

4.3 模拟前处理

4.4 模拟结果分析

4.5 本章小结

5 包裹体对镐型截齿破煤的影响

5.1 煤岩模型中包裹体的分布

5.2 模拟前处理

5.3 模拟结果分析

5.4 本章小结

6 小断层和顶底板对镐型截齿破煤的影响

6.1 含小断层煤岩有限元模型的建立

6.2 含顶底板煤岩有限元模型的建立

6.3 模拟结果分析

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

参考文献

附 录 A

致谢

攻读硕士期间主要成果