高压水射流辅助掘进机截齿截割实验研究

李 烈，江红祥

（1.东南大学机械工程学院，江苏 南京 211189；2.中国矿业大学机电工程学院，江苏 徐州 221000）

1 引言

煤炭在我国的能源结构中占有重要地位[1]，煤炭的开采和供应关系到我国制造业的发展，影响着我国能源安全。掘进机作为煤矿巷道掘进的主要设备，对煤炭开采效率有重要影响[2]。现有的掘进机单纯依靠截齿截割，截割力大、噪音大、粉尘多、截齿磨损快、易产生火花，既不利于安全生产也不利于提高掘进效率。采用水射流辅助截割技术，能在一定程度上缓解甚至解决上述问题。高压水射流能辅助截齿破碎硬岩、提高截齿截割能力、避免截齿和煤岩干摩擦、降低粉尘并能消除火花，是提高掘进机截割效率的有效手段。文献[3]指出高压水射流辅助掘进机截割硬岩是快速掘进的发展趋势。文献[4]设计了一种旋转磨料水射流截齿，喷嘴和截齿设计为一体式结构，并通过Fluent 软件进行了流场分析，验证了所设计截齿的可行性。文献[5-7]对高压水射流的掘进机水系统进行了设计，绘制了水路控制图，指出高压水射流辅助截割的设计重点在于机械结构设计、旋转密封设计和喷嘴设计。文献[8-9]研究了镐形截齿和煤岩的作用机理，对水射流辅助截齿截割进行了有限元仿真，指出了水射流辅助截割的可行性。目前，关于高压水射流辅助截割的研究主要集中在截齿和射流的配置方式上，且多为定性研究和仿真研究，缺少定量的实验研究，将高压水射流技术应用到掘进机上，对高压水射流辅助掘进机截齿截割进行实验研究。

2 实验台搭建

2.1 平台搭建

建立高压水射流辅助截齿截割实验平台，如图1 所示。截割动力由平台尾部的液压油缸提供，平台底部设有夹紧油缸，可以对岩样进行固定，位移传感器可以检测截齿位移，利用位移传感器的数据可以对截齿截割行程进行控制，液压缸尾部装有压力传感器，可以检测截割力。

图1 高压水射流辅助截齿截割实验平台Fig.1 Test Bed of Pick Cutting with High Pressure Water Jet

2.2 截齿设计

考虑到截割头上安装空间的限制，选取前置式、后置式和中心式射流配合截齿截割，根据相关学者研究[10-11]，选取截齿截割角为45°可以起到最佳的辅助截割效果，为了使截齿均匀磨损，截齿均带有自旋转设计，对于中心式射流，需要加装旋转密封件。设计的三种截齿三维图，如图2 所示。

图2 不同水射流配置方式的掘进机截齿Fig.2 Picks with Different Jet Configurations

2.3 岩样配置

配置岩样的材料为：水泥、沙子和石膏（体积比2：6：1），外观尺寸长600mm 宽400mm 高160mm。为了得到岩样的力学性能，在岩样上钻取高径比为2:1，直径为50mm 的圆柱体岩样，如图3所示。在压力机上进行压缩实验，得到岩样的力学特性，如表1 所示。

图3 单轴抗压实验Fig.3 Uniaxial Compressive Experiment

表1 岩样参数Tab.1 Parameters of Rock Sample

3 截割实验与分析

作为对比依据，如图4 所示。先在无水射流辅助工况下进行截割实验，截割深度为10mm，测得的截割力曲线，如图5 所示。

图4 无水射流辅助破岩实验Fig.4 Rock Breaking Experiment without Water Jet

图5 无水射流辅助截齿截割力Fig.5 Cutting Force of Pick without Water Jet

可见，截割力整体比较稳定，但在微观上呈现出无规律的波动现象[12]，这是因为截割过程伴随着不同块度的岩样剥落，块度的不可预测性导致了这种波动现象。值得注意的是，虽然每个时刻的截割力无法精准预测，但可以通过一段时间截割力的平均值反应水射流的辅助效果，并可以通过求取截割力方差研究截齿载荷的波动情况。通过计算得到无水射流辅助工况下截割力均值为4051N，方差为5713N2。针对三种不同截齿，在水压分别为10MPa、20MPa、30MPa、40MPa 的情况下进行水射流辅助截齿截割实验，前置式、后置式和中心式截齿的截割力曲线，如图6～图8 所示。

图6 水射流前置式截齿截割力Fig.6 Cutting Force of Pick with Front Water Jet

图7 水射流后置式截齿截割力Fig.7 Cutting Force of Pick with Rear Water Jet

图8 水射流中心式截齿截割力Fig.8 Cutting Force of Pick with Inter Water Jet

对三种截齿的截割力均值和方差进行统计，如表2 所示。进一步绘制截割力减少率和方差随水压的变化曲线，如图9、图10 所示。可以看出，随着水压上升，三种工况下的截割力减少率都呈增大趋势，但这种增大趋势在低压区并不明显，水压低于25MPa 时，相比于无水射流了工况，截割力减少率普遍低于5%，当水压达到一定程度后，辅助截割效果才得到充分发挥，这说明高压水的辅助截割存在阈值压力，阈值压力值约为煤岩抗压强度的（2～3）倍。值得注意的是，对于前置式水射流截齿，在低压区，甚至出现了截割力增大的现象，这是因为，当水压较低时，射流的冲击能不足以破坏煤岩，反而会在截齿前方形成压力水层，压力水层阻碍了截齿前方煤岩的剥落，导致截割力上升。

表2 三种射流配置方式下的实验数据统计值Tab.2 Experiment Data under the Three Water Jet Configurations

图9 截齿截割力减少率Fig.9 Cutting Force Reduction Rate

图10 截齿截割力方差Fig.10 Cutting Force Variance

水射流压力超过阈值压力后，水射流辅助破岩效果得到明显提升，尤其对于前置式和中心式射流，随着水压的上升，截割力减少率明显上升，当水压为40MPa 时，前置式和中心式射流可以使截齿截割力分别下降10.97%、13.67%。而对于后置式射流，辅助破岩效果差于前置式和中心式射流，这是因为，截齿后方安装空间有限，后置式喷嘴靶距较大，射流冲击能衰减较多，另外冲击点距离截齿齿尖距离大，而截割产生的裂纹主要位于截齿前段，后置射流无法直接冲击裂纹，因此无法达到理想的辅助破岩效果。

从截割力方差变化中可以看到，加入射流以后，截齿的载荷波动情况均有一定改善，其中，前置式截齿载荷波动降低最为明显。与截割力减少率规律类似，当水压超过一定阈值后，载荷波动降低速度加快，进一步验证了辅助破岩效果存在阈值压力的结论。

实验过程中，有几点现象值得说明：

（1）对于中心式截齿，在实验过程中旋转密封件容易失效，尤其当水压超过20MPa 时，密封件很快失效漏水，因而在应用上，需要重点关注中心式截齿旋转密封的可靠性设计。

（2）由于中心式截齿直接在截齿内部开孔，削弱了截齿的尺尖强度，三种截齿中，中心式截齿尺尖磨损情况最为严重，而且中心式截齿的加工成本最高，一旦磨损后，更换成本比较高。

（3）虽然后置式射流辅助破岩效果差于前置式和中心式，但后置射流方向落煤少，射流不受阻挡，截割完成后对截槽的破坏效果好，前置射流和后置射流对截槽的破坏情况，如图11、图12所示。容易看出，后置式射流形成的截槽更为破碎，破碎的煤岩可为后面截齿截割提供便利。

图11 前置式射流形成的截槽Fig.11 Kerf Formed by Front Water Jet

图12 后置式射流形成的截槽Fig.12 Kerf Formed by Rear Water Jet

4 结论

高压水射流辅助掘进机截齿破岩存在阈值压力，约为煤岩抗压强度的（2～3）倍，当水压低于阈值压力时，高压水辅助破岩效果并不明显，当水压超过阈值压力后，截割力减少率和载荷波动均有明显改善。对于前置式水射流截齿，在低压区，会出现截割力增大的现象，在使用时需注意压力选择。

从辅助当前截齿来看，中心式射流辅助效果最好，但中心式射流截齿结构复杂，旋转密封装置容易失效，截齿容易磨损，截齿更换成本高，对于推广应用，仍有许多技术问题需要解决。后置式喷嘴靶距较大，射流冲击能衰减多，冲击点距离截齿齿尖距离大，无法直接冲击裂纹，无法达到理想的辅助破岩效果。

后置式射流虽然对于当前截齿的辅助效果不好，但对截槽破坏效果好，破碎的煤岩为后面截齿进一步截割提供了便利，后期应该进一步研究不同破碎程度的截槽对后一截齿截割力的影响规律。