王 龙

（晋能控股集团同家梁矿，山西 大同 037001）

引言

我国具有储量丰富的地下煤层资源，煤矿企业进行煤炭的开采生产之前，巷道的掘进是首要工作，随着煤炭开采技术发展，巷道的掘进效率提升有限，容易造成采掘比的失衡，影响煤矿的生产效率。全断面掘进机是进行巷道掘进的重要设备，在巷道的掘进中可以避免钻爆法掘进产生的污染气体[1]，不仅可改善工作面的生产环境，还可以减少掘进过程中产生的扰动，有利于巷道的支护。在进行全断面掘进的过程中，刀盘的磨损对掘进的效率具有直接的影响，更换及检修刀具需要占用大量的时间，降低掘进的效率。贯入度作为掘进的重要参数，影响刀盘的受力状态[2]，从而对掘进效率产生影响。为进一步提高巷道全断面掘进的效率，针对掘进中的贯入度对刀盘的切削性能产生的影响进行分析，从而选用合理的贯入度参数，改善刀盘的受力状态，提高掘进的效率[3]，提高煤矿的生产效率。

1 全断面掘进刀盘切削模型的建立

采用ABAQUS 有限元分析软件对刀具的切削性能进行分析，ABAQUS 具有强大的非线性分析技术及较高的可靠性能，支持多种类型的材料模型[4]，且对于各类岩土材料的本构模型具有较好的描述，能够处理不同的材料及大变形的接触问题，适用于对刀盘掘进的过程进行分析。

对全断面掘进过程中的切削性能进行分析，采用广泛使用的43.18 cm（17 英寸）常截面盘形滚刀作为分析对象，掘进破岩过程中与岩层接触的主要是刀具的刃部[5]，在进行建模时仅需对滚刀的刀圈结构进行建模。建立滚刀刀盘的破岩模型，岩石采用圆心角为20°，内径为750 mm，外径为1 000 mm的部分扇形体，在滚刀与岩层的接触区域进行岩层的网格加密处理，采用线性缩减积分单元进行网格的划分处理[6]，得到网格化模型如图1 所示。

图1 全断面掘进刀盘切削网格模型

在模型中为保证刀具的顺次回转切削，设置两个分析步骤进行模拟切削[7]，首先进行1 号刀的回转切削，此时2 号刀固定约束；然后再进行2 号刀的回转切削，此时1 号刀固定约束。滚刀破岩过程中的受力作用，一般分解为法向力、切向力及侧向力三个方向的作用力，由于侧向力一般数值较小，对刀具的切削性能影响较小，因此仅考虑法向力和切向力的作用。切削过程中的切削力不断波动变化，为对比不同的贯入度下切削性能的变化[8]，对输出的切削力采用均值处理的方式进行对比，并对切削过程中的比能进行分析。盘形滚刀进行切削的过程中，滚动方向消耗的切削能量较高，而推力方向消耗的能力相对较小忽略不计[9]，切削过程中的比能可以通过下式计算：

式中：SE为切削过程比能，MJ/m3；MRF为平均的切向力，kN；L 为滚刀的切削距离，mm；V 为切削过程切削的岩石体积，cm3。

在进行模拟计算的过程中，将两个刀具设定为刚体进行约束，其质心分为几何中心RP1 和RP2，在全局坐标系中分别建立两个刀具的参考坐标系，保证刀具的自转及公转，限制其他方向的自由度。刀具与岩层之间以面接触的形式，以刀刃为主面，岩层上部分的节点区域为从面，选择罚接触函数作为运动约束方程，以有限滑移为滑移方程[10]，选择切向行为的摩擦系数为0.2，法向接触为硬接触[11]。岩层的性质设定为均质的各向同性材质，以切削花岗硬质岩层为研究对象，设定其弹性模量为42.3 GPa，抗压强度为183 MPa，抗拉强度为9.8 MPa，泊松比为0.18[12]。

2 不同贯入度切削性能的模拟分析

不同的贯入度对全断面掘进过程中的切削性能具有不同的影响，从而影响掘进的速度和掘进效率。在所建立的切削模型中，改变滚刀的贯入度，设定贯入度切深为4 mm、6 mm、8 mm、10 mm 分别进行滚刀的切削仿真。在分析过程中，为综合考虑刀具的切削性能，对两个刀刃之间不同的刀间距离进行分析，选择刀间距s 分别为28 mm、40 mm、48 mm、60 mm、72 mm、80 mm，进行不同组合下的模拟分析。以贯入度为4 mm、刀间距为40 mm 时为例，其切削过程如图2 所示，对不同贯入度下的切向力、法向力及比能变化进行输出。

图2 4 mm 贯入度切削模拟岩层变化

对切削过程中的切向力和法向力进行分析，在不同的贯入度下切向力及法向力的变化如图3 所示。从图3 中可以看出，随着贯入度的增加，切向力和法向力均呈近似于线性增加的趋势。在切向力的变化中，随着贯入度的增加，只有28 mm 的刀间距时，在贯入度较大时，切向力呈先增加后减小的趋势，且减小值较大，其他情况下的切向力均呈增加的趋势，在贯入度较大时，切向力的变化不大；在法向力的变化中，随着贯入度的增加，法向力的增加显著，且贯入度值越大，切向力的增加越大。在贯入度增加的过程中，随着切深的增加，刀具进行破岩所需的推力越大，同时滚刀刀具的侧面与岩层的接触面积逐渐增加，产生的侧面摩擦力更大，因此法向的切削力逐渐增加；在进行破岩的过程中，对贯入度大的岩层进行破岩所需对岩层的做功越大，对刀具的扭矩要求越大，引起切向力的增加。

图3 切削力随贯入度的变化

对全断面掘进过程中消耗的比能进行分析，得到如图4 所示的比能变化曲线。从图4 中可以看出，随着贯入度的增加，比能呈明显的下降趋势，这说明在贯入度的过程中，产生了较大的切削力及破岩的体积，两者的比值逐渐减小，从而降低了切削所需的比能，有利于提高掘进效率。

图4 比能随贯入度的变化曲线

3 结语

在全断面掘进过程中，随着贯入度的增加，切向力及法向力呈线性增加的趋势，而消耗的比能呈显著减小趋势，这说明，提高贯入度有利于降低消耗的比能，提高掘进效率。同时，对贯入度的值不能无限提高，切削力的增加不利于刀具的使用寿命，容易引起刀具的磨损。因此，在进行贯入度选择时，应依据工况条件进行合理设置，提高煤矿掘进综合效率。