Numerical and experimental investigation of rock breaking method under free surface by TBM disc cutter

To study the rock breaking method under the free surface induced by disc cutter,the rock breaking simulations were first conducted based on the discrete element method,and the dynamic process of rock breaking under the free surface was studied including stressed zone,crush zone,crack initiation and propagation.Then the crack propagation conditions,specific energy,etc.under different free surface distance(S)were also investigated combined with linear cutting experiments.The results show that the rock breaking process under the free surface induced by disc cutter is dominated by tension failure mode.There exists a critical S to promote crack propagation to free surface effectively.And this rock breaking method can improve the rock breaking force and breaking efficiency significantly when proper.

Differentiation and analysis on rock breaking characteristics of TBM disc cutter at different rock temperatures

In order to study rock breaking characteristics of tunnel boring machine(TBM) disc cutter at different rock temperatures,thermodynamic rock breaking mathematical model of TBM disc cutter was established on the basis of rock temperature change by using particle flow code theory and the influence law of interaction mechanism between disc cutter and rock was also numerically simulated.Furthermore,by using the linear cutting experiment platform,rock breaking process of TBM disc cutter at different rock temperatures was well verified by the experiments.Finally,rock breaking characteristics of TBM disc cutter were differentiated and analyzed from microscale perspective.The results indicate the follows.1) When rock temperature increases,the mechanical properties of rock such as hardness,and strength,were greatly reduced,simultaneously the microcracks rapidly grow with the cracks number increasing,which leads to rock breaking load decreasing and improves rock breaking efficiency for TBM disc cutter.2) The higher the rock temperature,the lower the rock internal stress.The stress distribution rules coincide with the Buzin Neske stress circle rules: the maximum stress value is below the cutting edge region and then gradually decreases radiant around; stress distribution is symmetrical and the total stress of rock becomes smaller.3) The higher the rock temperature is,the more the numbers of micro,tensile and shear cracks produced are by rock as well as the easier the rock intrusion,along with shear failure mode mainly showing.4) With rock temperature increasing,the resistance intrusive coefficients of rock and intrusion power decrease obviously,so the specific energy consumption that TBM disc cutter achieves leaping broken also decreases subsequently.5) The acoustic emission frequency remarkably increases along with the temperature increasing,which improves the rock breaking efficiency.

Rock deformation equations and application to the study on slantingly installed disc cutter

At present the mechanical model of the interac- tion between a disc cutter and rock mainly concerns indentation experiment, linear cutting experiment and tunnel boring machine （TBM） on-site data. This is not in line with the actual rock-breaking movement of the disc cutter and impedes to some extent the research on the rock-breaking mechanism, wear mechanism and design theory. Therefore, our study focuses on the interaction between the slantingly installed disc cutter and rock, developing a model in accordance with the actual rock-breaking movement. Displacement equations are established through an analysis of the velocity vector at the rock-breaking point of the disc cutter blade; the func- tional relationship between the displacement parameters at the rock-breaking point and its rectangular coordinates is established through an analysis of micro-displacement vectors at the rock-breaking point, thus leading to the geometric equations of rock deformation caused by the slantingly installed disc cutter. Considering the basically linear relationship between the cutting force of disc cutters and the rock deformation before and after the leap break of rock, we express the constitutive relations of rock deformation as generalized Hooke＇s law and analyze the effect of the slanting installa- tion angle of disc cutters on the rock-breaking force. This will, as we hope, make groundbreaking contributions to the development of the design theory and installation practice of TBM.

周向超前割缝辅助碟形滚刀楔裂破岩性能

碟盘滚刀基于底切破岩模式而具有较好的硬岩破碎性能,为进一步提高煤矿井下硬岩巷道机械化掘进效率,以碟盘滚刀为对象,探究了周向超前割缝预裂岩石辅助碟盘滚刀楔裂破岩性能。通过碟形滚刀楔裂破岩实验,明确了碟形滚刀楔裂破岩机理,揭示了周向超前割缝对岩石断裂特性的影响机制,并以滚刀载荷、岩石破碎体积和破岩比能耗为指标综合评价了切削参数和割缝参数对滚刀破岩性能的影响,采用正交试验得到了各因素对破岩性能的影响显著性及滚刀最优破岩性能时对应的参数匹配关系。结果表明:根据滚刀载荷波动和岩石断裂造成的声发射振铃变化特征可将碟形滚刀楔裂破岩过程划分为3个阶段,即压密阶段、应力积聚阶段和崩落阶段;相同切削厚度条件下,与无割缝条件相比,割缝深度和割缝宽度分别为16 mm和3 mm时碟形滚刀破岩载荷和滚刀应力分别降低40%和20%。基于三因素四水平正交试验得到的破岩性能最优条件下切削厚度、割缝深度和割缝宽度的匹配关系为30、16和3 mm,其中切削厚度对碟形滚刀破岩性能的影响最为显著,割缝深度次之,割缝宽度的影响程度最小。滚刀破岩载荷和岩石破碎体积均与切削厚度呈正相关关系,破岩比能随着切削厚度的增加先减小后增大,在30 mm切削厚度下得到最小值;各指标随着割缝深度的增加均呈现出先减小后增大的变化规律,最佳割缝深度为16 mm;当割缝宽度超过3 mm时,各指标受缝宽的影响不显著。周向超前割缝预裂岩石对提高碟形滚刀楔裂破岩性能具有较好提升效果,同时益于改善碟形滚刀受载条件、延长刀具服役寿命,进而为碟形滚刀掘进装备的设计提供一定的指导和参考。

矿用硬岩巷道机械化掘进破岩形式研究现状及展望

硬岩巷道快速掘进是实现煤矿智能高效开采的重要环节,悬臂掘进机、TBM和底切割装备都在尝试解决这一难点,掘进技术和装备的发展直接影响采矿的安全生产和经济效益。首先,总结了悬臂掘进机在硬岩截割工况的适用范围和截齿消耗现状,分析截割破岩形式的现场试验,发现在较高的岩石强度条件下,截齿消耗量较正常磨损翻倍,掘进速度与开采速度的不匹配,严重制约了矿井生产。其次,分析了滚刀破岩形式和装备在矿山领域的应用和新产品现状,得出移动式矿用掘进设备采用滚刀挤压破岩,块状渣土少,粉末多,刀盘推力小,导致破岩能力不足。最后,分析了线性底切割破岩技术和非线性底切割技术的原理和装备研发现状。结果表明:随着振荡频率的提高,切削力显著降低,非线性底切割破岩单位体积消耗能量少,优势明显。但在硬岩条件下的掘进效率、设备稳定性等关键问题有待验证,非线性底切割技术有望突破未来矿山硬岩掘进的技术难题。

盾构机扁齿型和球齿型镶齿滚刀破岩性能对比研究

盾构机在复杂地质条件下施工时,易出现刀具磨损严重、刀具消耗量大和掘进效率低等一系列问题。为了明晰不同岩石特性下镶齿滚刀破岩性能变化规律,提高镶齿滚刀破岩效率和使用寿命,保证水利隧洞工程安全高效施工,基于非线性有限元动力学软件,开展了不同岩石特性下扁齿型和球齿型镶齿滚刀破岩仿真模拟。通过多组仿真模拟,探究了不同岩石特性下两种镶齿滚刀和贯入度的最优组合,并通过室内破岩试验对仿真结果进行了验证。研究结果表明:凝灰岩地质条件下扁齿型和球齿型镶齿滚刀破岩载荷差异性较小,但球齿型镶齿滚刀破岩效率更高;砂岩和花岗岩地质条件下,扁齿型镶齿滚刀贯入岩石能力更强,可进一步提升滚刀破岩效率。此外,在不同岩石特性下,两种镶齿滚刀破岩比能耗均随着贯入度的增大而呈现出先减小后增大的趋势,并在贯入度6 mm左右出现最小值。研究结果可为隧道工程的盾构机刀具选型提供参考。

碟盘刀具截割姿态倾角与破岩模式特征

刀具破岩模式识辨是提高截割能力的关键基础,而刀具截割姿态对破岩模式影响显著,探究截割姿态与破岩模式之间的内在关联,反演低能耗、高效能破岩的最佳截割姿态参数。基于碟盘刀具轴向向上振动时楔面作用岩石的大块崩落状态,在非线性岩石破坏准则的基础上,根据Mohr-Coulomb准则给出了岩石拉剪耦合破坏条件,扩展延伸成三段式线性岩石破坏全域准则(拉破坏、拉剪耦合破坏、剪破坏、压剪耦合破坏和压破坏),给出了不同破岩模式下刀具楔面挤压应力的数学描述,基于楔面作用的最小能量原则提出了破岩模式识辨方法,构建了刀具倾斜姿态截割岩石的载荷模型,并通过数值模拟和实验分析了不同截割姿态倾角下刀具载荷特性和岩石破碎特征(岩石块率分布和粉尘粒度分布)与破岩模式之间的关联特性。结果表明:碟盘刀具楔面能耗表征值与姿态倾角呈正比,破岩模式由拉剪耦合破坏向压剪耦合破坏转变;振动截割时刀具楔面能耗表征值明显小于无振动截割,且多以拉剪耦合破坏为主,而无振动截割时拉剪、压剪耦合破坏近似等比存在;当轴向速度楔面分量大于进给速度楔面分量时,摩擦力转变为破岩助力,楔面能耗明显下降;碟盘刀具破碎岩石宏观形态呈大块月牙状,岩粉细观形态呈类多面体和类球状,刀具姿态倾角与岩石碎片量呈反比,与岩粉量呈正比(类球状粉尘减少、类多面体粉尘增加),表明姿态倾角增大,刀具齿刃碾挤压作用减弱,楔面挤压产生粉尘能耗增加,与破岩模式识辨过程中截割姿态对楔面能耗的影响规律相一致;碟盘刀具径向载荷与姿态倾角呈下凹规律,理论和模拟与实验径向载荷规律具有一致性,其平均误差分别为8.46%和9.55%,验证了碟盘刀具破岩模式识辨方法、倾斜姿态截割岩石的载荷模型和数值模拟的合理性。

切缝辅助滚刀破岩临界间距试验及预测模型研究

提高坚硬岩石条件下滚刀破岩能力是隧道施工的长期追求目标,而采用水射流辅助滚刀破岩可有效降低岩石开挖难度和刀具载荷,是一种很有前景的新型破岩技术。针对水射流切缝辅助滚刀破岩这一方式,首先采用破岩试验验证了切缝间距对切缝辅助滚刀破岩效果的影响,证明在岩石材料、贯入度、切缝深度一定条件下,切缝辅助滚刀破岩存在一个临界间距,当切缝间距小于临界间距时,切缝侧才能发生贯通破碎;然后采用岩石剪切破坏理论分析并提出了一个线性化临界间距计算模型,该模型表明临界间距的大小与切缝深度L和贯入度H的差值(L-H)线性线性相关。

盘形滚刀对TBM破岩效率的影响参数分析及优化设计

为探究盘形滚刀形式对TBM破岩效率的影响,依托福州滨海快线工程项目,利用ABAQUS创建盘形滚刀破岩模型,通过优化单刃滚刀结构参数,分析多滚刀破岩方式对掘进效率的影响。结果表明:刃宽和贯入度对滚刀破岩的影响最大,随着刃宽和贯入度增加,滚刀受到的滚动力、垂直力和破岩体积逐渐增大,并在刃宽20 mm、贯入度10 mm时,达到最佳破岩效果;双滚刀下采用同步破岩的效率要明显高于顺次破岩,其最优刀间距为60 mm;随着四滚刀回转半径增加,滚刀受到的切向力、垂直力和合力均增大,侧向力呈现先增大后减小的趋势,在回转半径350 mm处达到最大。研究成果可为福州滨海快线项目TBM滚刀选型及施工方案优化设计提供依据。

TBM掌子面力学模型与滚刀破岩力推力预测

以掌子面岩体破坏前状态建立了滚刀推力作用的双集中力模型,采用弹性半空间理论的Boussinesq解答和叠加原理,给出了双滚刀协同作用下岩体应力分布的解析解。根据应力分布的特点和TBM破岩要求,提出了TBM破岩的必要条件;采用单轴强度理论和多轴强度理论,分别给出了滚刀破岩推力的预测公式。工程实例表明,采用本文提出的基于多轴强度理论的预测公式计算出的滚刀破岩推力与TBM工作时实际使用的推力非常吻合。

考虑破岩模式的TBM滚刀破岩力计算模型

滚刀破岩力是研究TBM开挖硬岩隧道效率和安全性的核心参数,提高破岩力计算模型精度的重点在于如何使计算模型与破岩模式相匹配。通过对滚刀破岩过程中不同破岩模式下的裂纹交汇情况及岩片产生的主导因素进行分析,认为协同破岩时岩石主要发生压拉破坏,非协同破岩时主要发生压剪破坏,基于此提出了一种新的刀具荷载计算方法;建立单滚刀及双滚刀线性破岩三维离散元模型,统计不同贯入度下的侧向裂纹扩展长度,以此为基础计算各刀间距和贯入度组合下的理论破岩模式,并通过分析各工况下岩石内部裂纹交汇及其水平应力分布情况,验证了破岩模式划分理论的正确性;以岩石内部裂纹分布特征为基础,提出了协同和非协同破岩模式下破碎岩片体积的计算方法,利用指数函数对岩渣破碎厚度比和刀间距之间的关系进行拟合,定义了协同系数β,并结合新破岩力公式推导出了比能耗表达式。研究发现:由新破岩力模型计算得到的垂直力和滚动力相较于实测值的误差分别为7.3%和11.0%,其相比于CSM和线性计算模型的误差较小;岩石破碎区域取决于破岩模式,协同模式下的破碎区域主要为滚刀之间,非协同模式下为刀刃下方及其两侧;随刀间距增大,岩石内高应力区逐渐分离并出现上移现象且面积下降,最优贯入度增大而最小比能耗值减小,当贯入度增大时,比能耗值先减小后增大,同时比能耗曲线变化趋势和相关破岩试验结果具有一致性。

多滚刀协同破岩过程数值模拟与滚刀布置规律研究

刀盘是全断面隧道掘进机(Tunneling Boring Machine,简称TBM)实现隧道挖掘功能的关键部件之一。刀盘持续破岩是滚刀群共同作用下的岩石破坏过程。滚刀作为实现刀盘破岩功能直接工具,在刀盘上的布置方式将直接影响滚刀破岩载荷和能耗等破岩性能指标。围绕多滚刀协同破岩模式下滚刀安装参数对破岩载荷和破岩比能耗的影响规律问题,首先分析了TBM掘进时刀盘上滚刀破岩的特点以及相邻滚刀回转破岩过程中产生协同效应的方式。抓住刀盘上多把滚刀绕刀盘中心回转、缓慢侵入岩石的运动特征,建立了包括滚刀位移加载方式、以及适用于模拟掘进中岩石单元损伤失效形式的岩石本构模型和岩石失效分离准则等技术环节的三滚刀回转破岩有限元模型。模拟了多把滚刀螺旋侵入岩石的破岩过程,通过有限元仿真计算分析了刀间距、相邻滚刀安装极角差和切削顺序三个主要刀盘布置参数对破岩载荷、破岩比能耗等破岩性能指标的单因素影响规律,并设计正交试验分析了多因素交互作用下上述参数对破岩总载荷影响规律及显著性。分析结果表明,刀间距和安装极角差对滚刀破岩性能的影响最为显著。其中,刀间距影响相邻切削路径间侧向裂纹的贯通情况,随着刀间距的增大,相邻切削路径间的侧向裂纹贯通逐渐困难,相邻滚刀沿刀盘径向协同破岩的效果也有所减弱;安装极角差影响侧向裂纹与倾斜临空面的贯通情况,随着安装极角差的增大,与倾斜临空面贯通的侧向裂纹变长,相邻滚刀沿刀盘环向协同破岩的效果有所增强。分析了多滚刀协同破岩工况中,滚刀的布置方式与滚刀破岩性能的关系,为刀盘滚刀合理布置提供参考依据。

基于盘形滚刀破岩模型的数值试验分析

针对室内试验研究盘形滚刀破岩过程的成本高、周期长、不便于重复性教学演示的问题,可采用数值试验方法作为辅助或替代,揭示滚刀破岩机制、优化滚刀结构和切削参数。该文使用显式动力学数值方法,结合有限元和光滑粒子流体动力学,建立盘形滚刀切削岩石的三维数值试验模型,采用基于Rankine失效准则的摩尔-库伦弹塑性本构模型开展缩尺的滚刀线性切削试验,验证数值试验模型的可靠性。以双刀顺次回转破岩模型为例,分析了岩石破裂过程与滚刀载荷曲线。研究表明:在盘形滚刀切削下,岩石表面形成了条形破碎槽,同时在滚刀两侧及下方出现裂纹;随着裂纹延伸至岩石表面,许多小块的岩碴被剥离;使用数值试验方法分析盘形滚刀破岩过程,可以清晰地模拟密实核传力演化、裂纹萌生扩展、岩碴剥离飞溅、载荷阶跃波动等物理现象,有助于学生深入理解盘形滚刀破岩机制。

滚刀-高移速水射流耦合切削极硬花岗岩试验与模拟研究

目前,全断面隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀与高压水射流耦合破岩研究中,水射流切槽大多由低移速水射流切割而成,这与实际情况下耦合在TBM刀盘上的高移速水射流所制备的切槽不同,进而影响滚刀-水射流耦合破岩结果的可靠性。针对上述问题,采用2种喷嘴直径(0.5 mm和0.7 mm)、3种移速(1.8,2.4和3.0 m/s)的高移速水射流,耦合小尺度TBM滚刀(刃宽为2.3 mm和直径为43.2 mm),对极硬花岗岩进行切削试验,研究不同切削模式下的岩石破碎效果、滚刀法向力以及破岩比能的变化规律,同时开展全尺度滚刀与高移速水射流切槽耦合破岩的数值模拟,作为小尺度破岩试验的补充。研究结果表明:高移速水射流切槽的底长和高度随喷嘴直径的增大而增大,随喷嘴移速的增大而减小;在共轨破岩试验中,小滚刀下方岩石被高移速水射流部分移除,导致破岩载荷和破岩效率降低;在错轨破岩试验中,当小滚刀与水射流切槽间距大于15 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果趋于消失,当间距为12 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果最显著,破岩比能比纯滚刀切削降低68%;由于高移速水射流切槽小、滚刀刃宽大,导致切槽对滚刀破岩的辅助效果很小。为提升高移速水射流辅助TBM滚刀破岩效果,建议提升水射流的切割能力从而提升切槽深度,适当减小滚刀刃宽从而提升滚刀贯入岩石的能力,适当减小滚刀与切槽间距从而发挥切槽临空辅助破岩作用。

磨料水射流辅助与常规工况下滚刀破岩特性对比研究

为了研究磨料水射流辅助与常规工况下滚刀破岩特性的差异性,开展了两种工况下的破岩试验,对比分析了不同切削间距下岩石破碎状态、破岩载荷以及破岩效率的差异性。研究结果表明,相较于传统滚刀破岩,磨料水射流辅助滚刀破岩可提高滚刀贯入硬岩的能力,促使裂纹在岩体内部的拓展,产生大尺寸岩渣。磨料水射流辅助下滚刀垂直力和滚动力均明显低于常规滚刀破岩,平均下降了39%和25%,同时,磨料水射流辅助下滚刀破岩量增多,破岩效率进一步提高,约为常规滚刀破岩效率的1倍~2倍。研究结果为提高硬岩地质条件下滚刀破岩性能,实现隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)的高效掘进提供参考。

TBM滚刀贯入度对破岩效能的影响规律研究

合理设置TBM贯入度参数对于特定地质条件下的掘进效率至关重要。为研究TBM盘型滚刀在不同贯入度下的破岩效果,采用自主研发的滚刀破岩缩尺试验平台,在不同边界条件下对花岗岩开展盘型滚刀线性切割试验,通过使用FEM(finite element method)和SPH(smooth particle hydrodynamics)相耦合的数值模拟方法重现相关试验以验证模型的合理性,并在此基础上建立原尺双滚刀回旋破岩三维数值模型,研究TBM盘型滚刀不同贯入度下对花岗岩的破岩效果。研究结果表明:有侧限条件下滚刀受力和岩碴体积往往更大,且相邻贯入度之间的法向力和岩碴体积增长幅度随着贯入度的增大而减小,但无侧限条件下的破岩效率更高;滚刀破岩过程是阶跃性的,岩碴的产生主要集中在滚刀荷载跌落阶段,无论刀侧是否存在限制,刀下岩石均被碾压至极细的粉末,刀侧岩石崩出,且岩碴的大小与滚刀荷载跌落幅度正相关;刀下岩石破坏区域近似呈“V”形,随着贯入度的增大,滚刀间的“V”形破坏区域持续向安装半径内侧倾斜;滚刀破岩效率随着贯入度的增大先提高后减小,针对试验岩样,最佳贯入度为2~4mm;本研究所采用滚刀破岩缩尺试验与FEM-SPH数值模拟相结合的方法可以很好地重现花岗岩破裂过程,且两者切削力相对误差均在10%以内,可以为后续TBM滚刀破岩研究提供一定参考。

高压水射流前方切缝辅助TBM滚刀破岩试验研究

为提升坚硬岩层TBM滚刀破岩效率,降低滚刀磨损及消耗进而提高TBM整机掘进速度,采用最新研制的高压水射流辅助TBM滚刀破岩试验测试系统,进行坚硬花岗岩水射流先行切割滚刀后行破岩的室内试验,研究同一掌子面相同切深、不同刀间距条件下全尺度滚刀的受力规律和破岩特征。结果表明,完整岩石及水射流作用下滚刀的法向力、滚动力和侧向力随刀间距的增加缓慢增加;相比完整岩石,三向力降低幅度分别为19%~41%、10%~34%和16%~59%,破岩体积增加24%~72%,破岩比能降低7%~48%,切割系数升高幅度为6%~17%,且随着刀间距的增加缓慢降低;水射流切缝岩石碎片的尺寸明显增大,但岩粉质量有所降低,岩石破坏多数以张拉破坏为主。

TBM主驱动轴承受力分析及应用研究

为解决全断面硬岩隧道掘进机(TBM)作业过程中,因主轴承载荷谱预测困难而无法计算主轴承服役寿命的问题,开展基于滚刀-主轴承力流模型预测TBM主轴承载荷谱方法的研究,基于CSM模型与秋三藤三郎模型,建立滚刀破岩载荷预测模型。结合TBM作业工况与刀盘滚刀分布情况,根据理论计算模型与有限元分析模型,建立多工况的刀盘-主轴承力流模型得到原始载荷。考虑TBM强冲击工作环境对载荷谱的影响,对比现场监测振动数据,引入冲击载荷系数,建立计算模型,得到主轴承载荷谱。研究结果表明:1)TBM在全推力工况下的工作时间占比达65%;2)4种工况中轴向力与倾覆力矩变化较大,径向力较为稳定;3)在全推力工况下主轴承主要承受轴向力,最高达到14 374 kN,与有限元分析结果相差5%。最后将计算结果与TBM实际施工数据对比,验证了模型的准确性。

中风化泥、砂岩复合地层盾构滚刀磨损机理及预测分析

针对盾构施工过程中滚刀的磨损机理及磨损量预测展开研究,确定合理的开仓换刀时机,基于磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损三种滚刀磨损机理,结合CSM理论公式计算得到滚刀法向力,建立滚刀径向磨损高度理论计算模型,将滚刀径向磨损高度拟合数据与现场实测数据进行对比分析。结果表明:滚刀磨损量中,磨粒磨损占比最高,黏着磨损其次,疲劳磨损占比最低。预测滚刀磨损数据与现场实测磨损数据相对误差不超过14.5%,说明该模型对于中风化泥、砂岩复合地层预测滚刀磨损有较好的准确性。

地应力对双刃盘形滚刀破岩效率影响研究

全断面掘进机开挖深部地层时滚刀破岩受地应力影响显著。为探究地应力作用下盘形滚刀破岩特征规律,基于颗粒流离散元程序,构建了不同地应力下竖井掘进机双滚刀侵入破岩数值模型。探究了滚刀作用下地应力对岩体内破岩比能耗、裂纹扩展模式、滚刀受力的影响。结果表明:盘形滚刀破岩过程中,密实核的形成是张拉和剪切共同作用形成,而块状岩渣的形成则是张拉作用导致的结果;围压增大时产生明显的侧向限制作用,破碎区域位置发生变化,裂纹由滚刀的正下方向侧向自由面转移;试验条件下,千枚岩在围压大于30 MPa以后,破碎较为困难;随着地应力的增大,双滚刀破岩的垂直力线性增大,破碎面积线性减小,破岩比能耗线性增大。