煤岩冲击劈裂效应的力学分析及试验研究
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摘要
本文首先论述了当前普遍采用的滚筒式采煤机的破煤机理和煤岩切削理论的发展情况，以及这些理论在生产实际应用中存在的问题，简要地介绍了冲击式破煤的落煤方法。其次，分析了煤岩本身的物理力学性质和煤岩在矿山压力作用下的特殊应力状态，指出了冲击式破煤较好的利用了工作面煤壁的受力特点和煤岩类材料的力学强度特性。然后，在理论上分析了截齿冲击煤壁时，在煤体中激发的应力波的种类以及这些应力波在煤壁中可以产生的各种破碎煤岩的效应(有应力波反射效应、应力波的会聚效应、应力波与裂纹的相互作用效应等)，指出：应力波在煤壁中激发的应力场在煤壁中不同时刻和不同位置上是变化的。最后在自行研制的煤岩冲击破碎试验台上进行了煤岩冲击破碎试验。从所得到的数据和拟合应力场与截齿在煤壁上冲击作用点间距离的函数曲线可以发现应力场，尤其是拉应力场的强度最大值是存在于离截齿一定距离的范围外的，而在与截齿相接触的煤体质点是不存在拉应力的，由于煤岩材料的抗拉强度较低，这就使得在距离冲击截齿一定距离以外的煤壁内才有可能形成大的煤岩碎块。
In this paper,I will firstly discuss the cutting mechanism of cylinder coal cutters which are used widely now days and the development of theory on rock and coal cutting. Secondly ,I will introduce the physical and mechanical characters of coal,at the same time,I will give the picture of especial mechanics state of coal under the mine stress.Base on these,I will demonstrate that the impact coal cutting is a good way of coal cutting that make the best use of physical character of coal rock and especial mechanics state of coal under mine stress.What'more, I will analysis theorically when impact bit impact the coal which kinds of mechanics weaves will be gendered and what effect these weave can bring to the coal(including the reflectness of weave,the congregation of weave and the interaction between the weave and crevices.etc),point out the mechanical spaces which is brought by weaves are changing with the time and the position in the coal.From the data and the curve-fitting which depict the mechanica
l spaces varying with the distance to the point which the impact bit act on the coal,we can find that mechanical spaces,especially the maximum of pulling force spaces,existence a certain distance to the point which impact bit act on.While the position which is near to the point the impact bit act on have no the pulling force spaces.
In this paper,I will firstly discuss the cutting mechanism of cylinder coal cutters which are used widely now days and the development of theory on rock and coal cutting. Secondly ,I will introduce the physical and mechanical characters of coal,at the same time,I will give the picture of especial mechanics state of coal under the mine stress.Base on these,I will demonstrate that the impact coal cutting is a good way of coal cutting that make the best use of physical character of coal rock and especial mechanics state of coal under mine stress.What'more, I will analysis theorically when impact bit impact the coal which kinds of mechanics weaves will be gendered and what effect these weave can bring to the coal(including the reflectness of weave,the congregation of weave and the interaction between the weave and crevices.etc),point out the mechanical spaces which is brought by weaves are changing with the time and the position in the coal.From the data and the curve-fitting which depict the mechanica
l spaces varying with the distance to the point which the impact bit act on the coal,we can find that mechanical spaces,especially the maximum of pulling force spaces,existence a certain distance to the point which impact bit act on.While the position which is near to the point the impact bit act on have no the pulling force spaces.
引文
1、田取珍，刘混举等，冲击式采煤破煤机理的研究，太原理工大学学报，1998(2)
2、田取珍，刘混举等，冲击式采煤的研究，煤炭学报，1998(6)
3、杜三虎，田取珍，冲击破煤机理的初步探讨，西安矿业学院学报，1998(2)
4、岳龙旺，田取珍，煤体冲击破碎中应力波传递规律的研究，太原理工大学学报，1999(3)
5、高庆，工程断裂力学，重庆大学出版社，1986年
6、王成勇，刘培德，胡荣生，花岗岩切削破碎过程的研究，岩石力学与工程学报，1991年(2)185—196。
7、黄承贤，宋大卫，在周压下岩石弹性波速的研究，岩石工程学报，1991年3月
8、何开明，汪承林，石材劈裂机理及劈裂机研制，非金属矿，1996年No5。
9、吕晋英，破岩方式与最佳破岩成孔方法探讨，煤炭工程师，1996年第6期。
10、刘铁让，弹性体在表面冲击载荷下所激发的应力波，固体力学学报，1993年9月。
11、李夕兵，古德生，岩石在不同加载波条件下能量耗散的理论探讨，爆炸与冲击，1994年4月。
12、李夕兵，古德生，陈寿如，岩石在不同加载波下的动载强度，岩石力学与工程学报，1994年6月。
13、李夕兵，赖海辉，论应力波幅值和延续时间对破碎效果的影响，中南矿业学院学报，1989年12月。
14、胡忠举，切削加工工艺参数对岩石切削力的影响，煤炭学报，1995年6月。
15、王成勇，刘培德，胡荣生，胡忠举，岩石切削力的研究，大连理工大学学报。
16、牛东明，刀具切削破煤机理的研究，煤炭学报，1993年10月，
17、牛东明，煤炭切削力学模型的研究，煤炭学报，1994年10月，
18、徐小荷，余静，岩石破碎学，煤炭工业出版社，1984年
19、[苏]B．C尼基福罗夫斯基，E．N舒马金，固体动力破碎，1984年
20、宋守志，固体介质中的应力波，煤炭工业出版社，
21、陶振宇，岩石力学的原理和实践，水利出版社，1981年。
22、黄炎，工程弹性力学，清华大学出版社，
23、康天合、曲民强，断续岩体力学，地震出版社，1998年。
24、杨贵通，张善元。弹性动力学。中国铁道出版社，1988年5月。
25、陶振宇、朱焕春，不同岩石中的地应力分布，地震学报，1994年2月。
26、张允真、曹富新，弹性力学及其有限元法，中国铁道出版社，1983。
27、陈增涛、王铎，空隙材料的动态损伤与破碎的机理的细观研究，固体力学学报，1994年12月。
28、鞠庆海、吴锦拔，岩石材料三轴压缩动力特性的实验研究，岩石工程学报，1993年5月。
29、钱鸣高、缪协兴，采场上覆岩层结构的形态与受力分析，岩石力学与工程学报，1995年6月。
30、吴政、张承娟，单向载荷作用下岩石损伤模型及其力学特性研究，岩石力学与工程学报，1996年3月．
31、陈鹏，中国煤炭性质、分类和利用，化学工业出版社，2001年。
32、蒋金泉，采场围岩应力与运动，煤炭工业出版社，1993年12月。
33、李贵轩、张建卓、郑连宏，高产高效工作面采煤机截齿可靠性研究 辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2000年2月。
34、文光才，煤的冲击破碎，煤炭工程师，1995年第5期。
35、胡德礼、伍维根、靳海水，采煤机截割破碎理论的相似模拟研究，煤炭学报，1992年9月。
36、胡景绅、徐小荷，静压和冲击粉碎岩石的能耗比较，岩石破碎学术讨论会论文，1986年。
37、邢军、徐小荷、宋守志，岩石冲击作用下的裂纹扩展，岩石破碎学术讨论会论文，1986年。
38、席道英、谢端，岩石中应力波传播特性的研究，第二届全国岩石动力学学术会议，宜昌，1990年10月。
39、吴立、张天锡，岩石的损伤断裂特征与机械破碎，凿岩机械气动工具，1994年3月。
40、孔园波等，裂隙岩石破裂机理研究，煤炭学报，1995．2。
41、高彩云、赵运才，矿用截齿失效原因及对策讨论，矿山机械，2000年12月。
42、东北工学院岩石破碎研究组，撞击凿入系统的动力学分析 凿岩机械气动工具，1979年3月。
43、别隆，煤炭切削原理，中国工业出版社，1965年。
44、王成勇，刘培德，胡荣生，岩岩切削破断的应力性质研究，岩石力学与工程学报，1990年(3)209—215。
1. Lankfork. J. The role of tensile microfracture in the strain rate dependence of compressive srength of fine-grained limestone-analogy with strong cersmics. Int Rock MecH Min &
Gromech Abstr.1981． 18:173-175．
2． Gurran D R ,Seaman L,Shockey D A.Dymamic failure of solids. Phys Reports 1987 147: 253-388．
3． 田取珍,岳龙旺.Impact Coal Cutting And Testing.Jurnal of Coal Science & Engineering(China) 1999(2)
4． 田取珍,康立勋等,Experimental study on the mechanism of coal and rock breaking by impact,1999 International Sysposium on Mining Science and Technology
5． Empirical and analytical models of catting process of Rocks Jorunal of Mining Science 2000
6． Influence exerted by the shapt of cutting wedge on the chip size. Jorunal of Mining Science 2001
7． Per-Arne Lindqvist Lai-Hu,,Behavior of the crused zone in rock indentation.Rock Mechanics and Rock Engineering.
8． Mustafa Geneer.Progressive failure in stratified and jionted rock mass.Rock Mechanics and Rock Engineeringo 1958,18
9． Akihiko Kumano,Werner Gokdsmith.Project impact on soft,porous rock.Rock Mechanicso 1981,13
10． A.I.Fedul.The chioce of the enerfy level for shock of mate destruction rial.Soviet Mining Science,1987．
2、田取珍，刘混举等，冲击式采煤的研究，煤炭学报，1998(6)
3、杜三虎，田取珍，冲击破煤机理的初步探讨，西安矿业学院学报，1998(2)
4、岳龙旺，田取珍，煤体冲击破碎中应力波传递规律的研究，太原理工大学学报，1999(3)
5、高庆，工程断裂力学，重庆大学出版社，1986年
6、王成勇，刘培德，胡荣生，花岗岩切削破碎过程的研究，岩石力学与工程学报，1991年(2)185—196。
7、黄承贤，宋大卫，在周压下岩石弹性波速的研究，岩石工程学报，1991年3月
8、何开明，汪承林，石材劈裂机理及劈裂机研制，非金属矿，1996年No5。
9、吕晋英，破岩方式与最佳破岩成孔方法探讨，煤炭工程师，1996年第6期。
10、刘铁让，弹性体在表面冲击载荷下所激发的应力波，固体力学学报，1993年9月。
11、李夕兵，古德生，岩石在不同加载波条件下能量耗散的理论探讨，爆炸与冲击，1994年4月。
12、李夕兵，古德生，陈寿如，岩石在不同加载波下的动载强度，岩石力学与工程学报，1994年6月。
13、李夕兵，赖海辉，论应力波幅值和延续时间对破碎效果的影响，中南矿业学院学报，1989年12月。
14、胡忠举，切削加工工艺参数对岩石切削力的影响，煤炭学报，1995年6月。
15、王成勇，刘培德，胡荣生，胡忠举，岩石切削力的研究，大连理工大学学报。
16、牛东明，刀具切削破煤机理的研究，煤炭学报，1993年10月，
17、牛东明，煤炭切削力学模型的研究，煤炭学报，1994年10月，
18、徐小荷，余静，岩石破碎学，煤炭工业出版社，1984年
19、[苏]B．C尼基福罗夫斯基，E．N舒马金，固体动力破碎，1984年
20、宋守志，固体介质中的应力波，煤炭工业出版社，
21、陶振宇，岩石力学的原理和实践，水利出版社，1981年。
22、黄炎，工程弹性力学，清华大学出版社，
23、康天合、曲民强，断续岩体力学，地震出版社，1998年。
24、杨贵通，张善元。弹性动力学。中国铁道出版社，1988年5月。
25、陶振宇、朱焕春，不同岩石中的地应力分布，地震学报，1994年2月。
26、张允真、曹富新，弹性力学及其有限元法，中国铁道出版社，1983。
27、陈增涛、王铎，空隙材料的动态损伤与破碎的机理的细观研究，固体力学学报，1994年12月。
28、鞠庆海、吴锦拔，岩石材料三轴压缩动力特性的实验研究，岩石工程学报，1993年5月。
29、钱鸣高、缪协兴，采场上覆岩层结构的形态与受力分析，岩石力学与工程学报，1995年6月。
30、吴政、张承娟，单向载荷作用下岩石损伤模型及其力学特性研究，岩石力学与工程学报，1996年3月．
31、陈鹏，中国煤炭性质、分类和利用，化学工业出版社，2001年。
32、蒋金泉，采场围岩应力与运动，煤炭工业出版社，1993年12月。
33、李贵轩、张建卓、郑连宏，高产高效工作面采煤机截齿可靠性研究 辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2000年2月。
34、文光才，煤的冲击破碎，煤炭工程师，1995年第5期。
35、胡德礼、伍维根、靳海水，采煤机截割破碎理论的相似模拟研究，煤炭学报，1992年9月。
36、胡景绅、徐小荷，静压和冲击粉碎岩石的能耗比较，岩石破碎学术讨论会论文，1986年。
37、邢军、徐小荷、宋守志，岩石冲击作用下的裂纹扩展，岩石破碎学术讨论会论文，1986年。
38、席道英、谢端，岩石中应力波传播特性的研究，第二届全国岩石动力学学术会议，宜昌，1990年10月。
39、吴立、张天锡，岩石的损伤断裂特征与机械破碎，凿岩机械气动工具，1994年3月。
40、孔园波等，裂隙岩石破裂机理研究，煤炭学报，1995．2。
41、高彩云、赵运才，矿用截齿失效原因及对策讨论，矿山机械，2000年12月。
42、东北工学院岩石破碎研究组，撞击凿入系统的动力学分析 凿岩机械气动工具，1979年3月。
43、别隆，煤炭切削原理，中国工业出版社，1965年。
44、王成勇，刘培德，胡荣生，岩岩切削破断的应力性质研究，岩石力学与工程学报，1990年(3)209—215。
1. Lankfork. J. The role of tensile microfracture in the strain rate dependence of compressive srength of fine-grained limestone-analogy with strong cersmics. Int Rock MecH Min &
Gromech Abstr.1981． 18:173-175．
2． Gurran D R ,Seaman L,Shockey D A.Dymamic failure of solids. Phys Reports 1987 147: 253-388．
3． 田取珍,岳龙旺.Impact Coal Cutting And Testing.Jurnal of Coal Science & Engineering(China) 1999(2)
4． 田取珍,康立勋等,Experimental study on the mechanism of coal and rock breaking by impact,1999 International Sysposium on Mining Science and Technology
5． Empirical and analytical models of catting process of Rocks Jorunal of Mining Science 2000
6． Influence exerted by the shapt of cutting wedge on the chip size. Jorunal of Mining Science 2001
7． Per-Arne Lindqvist Lai-Hu,,Behavior of the crused zone in rock indentation.Rock Mechanics and Rock Engineering.
8． Mustafa Geneer.Progressive failure in stratified and jionted rock mass.Rock Mechanics and Rock Engineeringo 1958,18
9． Akihiko Kumano,Werner Gokdsmith.Project impact on soft,porous rock.Rock Mechanicso 1981,13
10． A.I.Fedul.The chioce of the enerfy level for shock of mate destruction rial.Soviet Mining Science,1987．