巖石溫度對(duì)盤形滾刀掘進(jìn)參數(shù)破巖特性的影響

張桂菊　譚青　夏毅敏　李建芳　勞同炳　張晉浩

摘 要：為了研究在巖石溫度變化條件下盤形滾刀掘進(jìn)參數(shù)對(duì)破巖特性的影響，以顆粒流理論為平臺(tái)，從細(xì)觀角度上建立了基于巖石溫度變化的盤形滾刀熱力學(xué)破巖數(shù)學(xué)模型，模擬了不同工況下巖石裂紋生成、擴(kuò)展和巖渣形成的全過(guò)程，并對(duì)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)破巖特性的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，從細(xì)觀角度解釋了不同巖石溫度下滾刀的破巖機(jī)制.利用直線式TBM滾刀破巖實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在巖石溫度變化條件下掘進(jìn)參數(shù)對(duì)滾刀破巖的影響規(guī)律是否與數(shù)值模擬有較好的一致性.研究結(jié)果表明：1）巖石溫度升高，降低了巖石硬度、強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)，破巖時(shí)裂紋數(shù)增多且微裂紋迅速擴(kuò)展，降低了滾刀破巖載荷，提高了破巖效率； 2）低貫入度時(shí)，巖石不容易被侵入破碎；隨著巖石溫度的升高，巖石越來(lái)越容易擠壓破裂；隨著貫入度增加，失效區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，破巖效率提高；3）滾刀之間的協(xié)同作用隨刀間距的增加而減弱，最優(yōu)刀間距隨巖石溫度的升高而增加，隨貫入度的增大而增加；4）提高巖石溫度能增強(qiáng)滾刀之間的協(xié)同作用，提高破巖效率.

關(guān)鍵詞：TBM；盤形滾刀；巖石溫度；刀間距；貫入度；顆粒流

中圖分類號(hào)：TP391.9； U455.39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（full face hard rock tunnel boring machine， 簡(jiǎn)稱TBM）集大型化、自動(dòng)化、高速化、流程化、精密化等特性于一體，廣泛應(yīng)用于鐵路建設(shè)、南水北調(diào)、西氣東輸?shù)人淼拦こ讨?＼[1＼]盤形滾刀是TBM破碎巖石的主要刀具，其破巖效率直接影響隧道工程的開(kāi)挖進(jìn)度.在大埋深、長(zhǎng)距離硬巖掘進(jìn)環(huán)境中，TBM通常會(huì)受到復(fù)雜地質(zhì)條件如高溫、節(jié)理、巖溶、高地應(yīng)力、掘進(jìn)地層的自重應(yīng)力、溫度引起的熱應(yīng)力等因素的影響，使巖石表現(xiàn)出與淺部截然不同的物理力學(xué)特性，進(jìn)而造成滾刀的損耗量大、破巖效率低、穩(wěn)定性差等施工問(wèn)題.＼[2＼]因此，在考慮這些掘進(jìn)中的地質(zhì)因素耦合作用下，提高滾刀的破巖效率，延長(zhǎng)滾刀的使用壽命已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者研究的重要課題.針對(duì)不同溫度條件下巖石的力學(xué)性能變化，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者做了大量的研究工作：Vander Molen＼[3＼]就1980年以前的溫度對(duì)巖石特性影響的主要研究成果做了系統(tǒng)的總結(jié)；Alm＼[4＼]等研究了花崗巖在不同溫度條件下的力學(xué)性能及其微破裂性能；Chen等 ＼[5＼]研究了在單軸壓縮和疲勞載荷條件下溫度對(duì)花崗巖力學(xué)性能的影響；Smithies等＼[6＼]探討了不同溫度下花崗巖巖石和巖漿的力學(xué)性質(zhì)，如泊松比、彈性模量、斷裂韌性、抗壓強(qiáng)度以及巖石微破裂，獲得了巖石力學(xué)性能隨溫度和時(shí)間的破壞機(jī)理；張志鎮(zhèn)等＼[7＼]通過(guò)高溫冷卻加載以及實(shí)時(shí)高溫加載下的單軸壓縮試驗(yàn)，得到了兩種加載方式下彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度、剪切滑移應(yīng)變及縱波波速等隨溫度的變化規(guī)律；左建平等＼[8＼]研究了不同溫度對(duì)巖石的破壞規(guī)律以及變形的影響，建立了巖石在靜載荷下溫壓耦合的破壞準(zhǔn)則.盤形滾刀掘進(jìn)參數(shù)（貫入度和刀間距）的合理設(shè)計(jì)是提高TBM破巖效率的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)掘進(jìn)參數(shù)時(shí)需綜合考慮地質(zhì)條件的影響.由于在不同的溫度條件下，巖石表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性以及破裂方式，因而針對(duì)巖石溫度變化設(shè)計(jì)滾刀掘進(jìn)參數(shù)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.研究掘進(jìn)過(guò)程中刀具與巖石之間相互作用的工作狀況與動(dòng)態(tài)行為，揭示破巖機(jī)理及破碎特征，可為延長(zhǎng)刀具的使用壽命、改善切削效果、提高破巖效率提供理論基礎(chǔ).為此，本文嘗試在巖石溫度及掘進(jìn)參數(shù)變化的條件下，從巖體細(xì)觀尺度出發(fā)，基于顆粒流離散元方法對(duì)盤形滾刀的破巖特性進(jìn)行分析，研究不同巖石溫度下滾刀掘進(jìn)參數(shù)對(duì)破巖特性的影響，并進(jìn)行數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為TBM盤形滾刀的破巖機(jī)理研究提供一定的理論依據(jù)，同時(shí)對(duì)提高滾刀的破巖效率、增強(qiáng)滾刀的地質(zhì)適應(yīng)性和使用壽命，實(shí)現(xiàn)高效率、低能耗、低損耗的隧道掘進(jìn)具有一定的理論價(jià)值和工程意義.

1 盤形滾刀破巖數(shù)學(xué)模型

1.1 巖石顆粒流方法

顆粒流方法是一種離散單元法，其從細(xì)觀角度的離散單元之間的相互作用，解釋巖石的宏觀變形等力學(xué)性質(zhì)，對(duì)分析大位移、大變形以及非線性等相關(guān)的巖石問(wèn)題具有顯著的優(yōu)勢(shì).顆粒離散元法可以解決研究對(duì)象在特定條件下的宏觀變形與裂紋問(wèn)題.其將離散單元分為顆粒以及塊體兩部分，根據(jù)單元之間的相互作用以及循環(huán)迭代求解整個(gè)顆粒集合體的行為.當(dāng)兩顆粒接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生位移重疊；根據(jù)力位移定律和本構(gòu)關(guān)系可以得到顆粒受到的力，進(jìn)而獲得顆粒的加速度、速度以及新的位移量，如此反復(fù)循環(huán)＼[9＼].

的相鄰顆粒單元j對(duì)它的作用力；q→ij為F→ij到顆粒單元i的力臂；Fie和kie分別為顆粒單元i的外力和外力矩；Ni為顆粒單元i的鄰居單元數(shù)目；N為模型中顆粒單元的總數(shù)目.

1.2 顆粒流熱力學(xué)耦合計(jì)算模型

在顆粒流方法中，采用與顆粒有關(guān)的熱存儲(chǔ)器 以及與接觸鍵有關(guān)的熱管的細(xì)觀模型來(lái)模擬宏觀的溫度場(chǎng)，熱量在激活管道中通過(guò)激活的熱存儲(chǔ)器進(jìn)行傳遞.當(dāng)巖石樣本模型中兩顆粒的接觸有重疊或存在接觸鍵時(shí)，熱存儲(chǔ)器之間的熱管被激活；當(dāng)巖石樣本模型在加載過(guò)程中不存在接觸鍵或接觸鍵斷裂時(shí)，將影響活動(dòng)熱管的數(shù)量，進(jìn)而改變材料的宏觀熱學(xué)特性＼[10＼].巖石、混凝土等材料的破壞可以看作顆粒之間接觸鍵的斷裂過(guò)程.

1）顆粒流熱力學(xué)基本方程.對(duì)于連續(xù)介質(zhì)，假設(shè)物體的應(yīng)變變化不會(huì)引起溫度的改變，則熱傳導(dǎo)方程為：

-qixi+qv=ρCvTt. （2）

其中：qi為熱流通量；qv為單位熱功率密度；ρ為材料的密度；Cv為巖石材料的比熱容；T為材料溫度.依據(jù)傅里葉變換，連續(xù)介質(zhì)的熱流通量和溫度梯度之間的關(guān)系為：

qi=-kijTxj.（3）

其中：kij為材料的熱傳導(dǎo)率張量.

對(duì)式（3）進(jìn)行離散化，假設(shè)離散后的顆粒總體積為V，單位體積內(nèi)的熱流通量用qi的散度表示，則在顆粒體積V的熱存儲(chǔ)器上平均散度qi為：

qixi=1V∫VqixidV. （4）

假設(shè)離散后材料的熱量只在N個(gè)熱管中流動(dòng)，從而式（4）可以轉(zhuǎn)換為：

∫SqinidS=∑Np=1q（p）in（p）iΔS（p）=∑Np=1Q（p）.（5）

其中：下標(biāo)p為與熱管p相關(guān)的變量；Q（p）為流經(jīng)熱管p的功率，此處q（p）iΔS（p）=Q（p）n（p）i.可得離散化后的熱傳導(dǎo)方程：

-∑Np=1Q（p）+Qv=mCvTt. （6）

其中：Qv=Vqv，為離散化后的熱源強(qiáng)度；m為離散化后的質(zhì)量.

在顆粒離散元中，假設(shè)單個(gè)熱管的熱阻為η，顆粒體中包含N個(gè)熱管，總體積為V，由于熱量只在熱管內(nèi)流通，則材料的平均熱流通量為：

qi=1V∑Np=1q（p）iV（p）=1V∑Np=1q（p）iA（p）l（p）.（7）

其中：A（p）為熱管的有效橫截面積；l（p）為熱管的長(zhǎng)度.熱管的熱流通量為：

qi=-ΔTniηlA（p）.（8）

其中ΔT為熱管兩端的溫度差，與溫度梯度的關(guān)系為：

qi=-1V∑Np=1l（p）n（p）in（p）jη（p）Txj. （9）

可得顆粒離散元中熱傳導(dǎo)率的張量kij表達(dá)式為：

kij=1V∑Np=1l（p）n（p）in（p）jη（p）. （10）

從式（10）可以看出，只要給定單位法向矢量、單個(gè)熱管的長(zhǎng)度、熱阻及總熱管數(shù)目等相關(guān)參數(shù)就可計(jì)算出顆粒離散元材料的熱傳導(dǎo)率.

2）顆粒流熱力學(xué)耦合方程.顆粒流程序中，主要通過(guò)顆粒元素之間接觸鍵的熱膨脹來(lái)描述顆粒材料的熱應(yīng)變，則宏觀溫度的變化引起的材料熱應(yīng)變可通過(guò)對(duì)顆粒半徑的改變來(lái)實(shí)現(xiàn).當(dāng)宏觀溫度改變?chǔ)，可計(jì)算出顆粒半徑的改變量

ΔR=αRΔT.（11）

其中：α是指顆粒的熱線性膨脹系數(shù).

假設(shè)兩顆粒元素之間存在接觸鍵且熱管已經(jīng)激活，則接觸鍵的長(zhǎng)度隨著宏觀溫度的改變會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而影響顆粒的受力情況.當(dāng)溫度變化為ΔT時(shí)，隨著接觸鍵長(zhǎng)度的改變，顆粒受到的法向力Δn為

Δn=-nAΔUn=-nA（ΔT）. （12）

其中：n為接觸鍵的法向剛度；A為接觸鍵的橫截面面積；為顆粒材料的熱膨脹系數(shù).

在實(shí)際數(shù)值模擬中，可通過(guò)對(duì)巖石材料加載不同的溫度，來(lái)模擬巖石材料宏觀熱力學(xué)特性.

1.3 盤形滾刀破巖效率

盤形滾刀的破巖效率主要通過(guò)比能耗大小來(lái)體現(xiàn)，比能耗指滾刀切割單位體積巖石所做的功＼[11＼].

Es=WV=Wv+WrV=Fv·d+Fr·lV. （13）

式中：Es為破巖比能耗；Fv為滾刀所受平均垂直力；Fr為滾刀所受平均滾動(dòng)力；d為貫入度；S為破碎塊面積；l為滾刀的切削軌跡，只考慮滾刀侵入過(guò)程時(shí)l=0；V為巖屑體積，V=St，t為單位厚度.

1.4 盤形滾刀侵入巖體模型

本課題研究的巖石材料是從廣州某地采購(gòu)的花崗巖，為了使顆粒流樣本能夠反映真實(shí)巖石材料的宏觀力學(xué)特性，需匹配巖石材料的細(xì)觀參數(shù)與宏觀力學(xué)特性，對(duì)材料的宏、細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定.依據(jù)真實(shí)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)反復(fù)進(jìn)行調(diào)節(jié)細(xì)觀參數(shù)，直到試驗(yàn)表現(xiàn)出來(lái)的宏觀特性與真實(shí)材料的宏觀特性參數(shù)相一致，標(biāo)定過(guò)程才算完成，標(biāo)定過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)＼[12-13＼]. 圖1所示為雙刀破巖的顆粒流模型，其中參數(shù)D為刀間距，d為貫入度.在數(shù)值模擬過(guò)程中，將盤形滾刀刀圈定義為剛體，刀圈輪廓用剛性墻（wall）模擬，文中采用的是應(yīng)用較為廣泛的近似常截面盤形滾刀，適應(yīng)軟到中硬巖地層，主要幾何參數(shù)：刀刃頂部寬度10 mm，過(guò)渡圓弧半徑4 mm，刀刃角20°.巖石試件尺寸為200 mm×400 mm，包含顆粒數(shù)目38 662個(gè).利用軟件自帶fish語(yǔ)言，編制控制滾刀運(yùn)動(dòng)的伺服控制程序，通過(guò)改變巖石的溫度參數(shù)及掘進(jìn)參數(shù)，監(jiān)測(cè)盤形滾刀破巖規(guī)律的變化.

2 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 數(shù)值模擬

2.1.1 破巖體積分析巖石溫度

對(duì)破巖體積的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2所示.可以看出：在同一溫度和刀間距條件下，隨著貫入度的增加，巖石的破碎體積過(guò)度增大，因此破碎體積增加的幅度逐漸減少；在同一溫度和貫入度條件下，破巖體積隨刀間距的增加而增大，說(shuō)明刀間距的增大增加了滾刀之間能夠破碎的巖石體積，當(dāng)滾刀之間的巖石裂紋貫通，相應(yīng)的破巖體積增大，但當(dāng)?shù)堕g距增加到一定程度時(shí)，裂紋會(huì)互不貫通，出現(xiàn)各自破巖現(xiàn)象；在同一刀間距和貫入度條件下，隨著巖石溫度的增加，巖石從無(wú)法交匯貫通逐漸過(guò)渡到貫通、過(guò)度破碎，說(shuō)明巖石溫度是影響滾刀破巖體積的一個(gè)因素，溫度的增加造成了滾刀破巖載荷減少，同時(shí)促進(jìn)巖石裂紋的擴(kuò)展，相應(yīng)的破巖體積也隨著增大，其增加的幅度逐漸增大，說(shuō)明溫度的增加，引起巖石內(nèi)部應(yīng)力的減少，減少的幅度逐漸增大，巖石更加容易破碎，且破巖體積相應(yīng)增大.

2.1.2 破巖載荷分析

根據(jù)數(shù)值結(jié)果對(duì)滾刀破巖平均載荷進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示.可知，在相同巖石溫度、貫入度條件下，滾刀的破巖載荷隨著刀間距的增加逐漸增加，這是由于刀間距較小時(shí)，滾刀之間存在協(xié)同效應(yīng)，滾刀受到的破巖載荷相對(duì)較??；刀間距逐漸增大，協(xié)同作用逐漸減弱，滾刀呈現(xiàn)各自破碎的狀況，對(duì)應(yīng)的破巖平均載荷也相應(yīng)增大.在相同貫入度、刀間距條件下，隨著溫度的逐漸升高，滾刀的破巖平均載荷逐漸降低.這是由于溫度的升高，增加了巖石內(nèi)部的熱應(yīng)力，降低了巖石的斷裂韌度以及強(qiáng)度，使得巖石更加容易破裂，并且增大了滾刀之間的協(xié)同效應(yīng)，滾刀平均載荷也逐漸降低.

刀間距/m（a） d=4 mm

刀間距/m（b） d=8 mm

2.1.3 破巖比能耗分析

對(duì)數(shù)值模擬的破碎體積和破巖平均載荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算各工況條件下的破巖比能耗，結(jié)果如圖4所示.可以看出：在相同貫入度和巖石溫度條件下，滾刀破巖比能耗隨刀間距的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，說(shuō)明在該工況下存在一個(gè)最優(yōu)刀間距，使得滾刀的破巖比能耗最小.在常溫和貫入度d=4 mm時(shí)，巖石的破碎模式從裂紋貫通過(guò)渡到?jīng)]有貫通，刀間距的增加，使得破巖體積和破巖載荷增大，但增大的幅度不一樣，開(kāi)始破巖載荷增大的幅度比破巖體積增大的幅度小，滾刀破巖比能耗隨刀間距的增大而逐漸減小.隨著刀間距進(jìn)一步增大，巖石裂紋從貫通過(guò)渡到不貫通，滾刀之間的協(xié)同作用減弱，滾刀的破巖比能耗隨之增大，并且破巖體積由于裂紋沒(méi)有貫通而變得很小，滾刀的破巖比能耗隨刀間距的增大而逐漸增大.在同一貫入度以及刀間距下，隨著巖石溫度的升高，使得巖石更加容易侵入，巖石更加容易破碎，滾刀的破巖比能耗逐漸減小，對(duì)應(yīng)的最小比能耗即最優(yōu)刀間距則增大到150 ℃時(shí)的80 mm，如圖4（a）所示.貫入度為8 mm時(shí)，由于滾刀貫入度的增大，滾刀之間的協(xié)同效應(yīng)相對(duì)增大，破巖比能耗逐步增加，裂紋從不貫通過(guò)渡到剛好貫通最終為過(guò)度破碎狀態(tài)，滾刀的破碎體積逐漸增大，同時(shí)滾刀的破巖比能耗也增大，增大的幅度比破巖體積大，因此，滾刀的破巖比能耗增大， 如圖4（b）所示.

刀間距/m（a） d=4 mm

刀間距/m（b） d=8 mm

圖4 各工況下比能耗與刀間距的關(guān)系

Fig.4 Relationship between specific energy

and cutter space under different conditions

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用實(shí)驗(yàn)方法可以準(zhǔn)確獲得特定參數(shù)對(duì)盤形滾刀破巖特性的影響，更直觀地再現(xiàn)不同巖石溫度下滾刀掘進(jìn)參數(shù)變化對(duì)破巖特性的影響.因此，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)不同巖石溫度條件下滾刀破巖過(guò)程進(jìn)行研究，分析相應(yīng)的破巖特性，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證其合理性，有助于全面研究盤形滾刀在不同巖石溫度下掘進(jìn)參數(shù)變化的破巖特性.為了使實(shí)驗(yàn)?zāi)M接近實(shí)際施工條件，課題組自主設(shè)計(jì)了直線式TBM滾刀破巖實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖5所示.實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由油缸、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌、橫梁、巖石料倉(cāng)、液壓站、操作臺(tái)等部分組成.

圖5 直線式TBM滾刀破巖實(shí)驗(yàn)臺(tái)

Fig.5 Linear experiment platform of rock

breaking by TBM disc cutter

2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)通過(guò)直線式TBM滾刀破巖實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)不同巖石溫度下改變掘進(jìn)參數(shù)對(duì)破巖過(guò)程進(jìn)行研究，了解滾刀破巖的動(dòng)態(tài)特性.巖石加熱裝置如圖6所示，加熱時(shí)將其放置于巖石上，使加熱板與巖土直接接觸，通電后加熱棒產(chǎn)生熱量通過(guò)加熱板傳遞給巖石；鐵制上板和鋁制下板對(duì)加熱板的位置固定進(jìn)行夾緊，阻止熱量往鐵板傳遞.依次進(jìn)行25，50，75，100，125和150 ℃下滾刀的破巖實(shí)驗(yàn)；采用三向力傳感器記錄不同工況條件下滾刀的破巖載荷，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，觀察滾刀破巖現(xiàn)象，記錄滾刀破巖載荷、破巖體積、巖石的裂紋擴(kuò)展規(guī)律以及巖渣破碎塊度，計(jì)算破巖比能耗；最后通過(guò)Lab View進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析刀間距及貫入度變化對(duì)滾刀破巖特性的影響.

1-鋁制加熱板；2-加熱棒；3-螺栓；4-隔熱層；

5-鐵制上板；6-手柄；7-木制保護(hù)圈

圖6 巖石加熱裝置

Fig.6 Rock heating device

2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1）破巖載荷分析

圖7所示為當(dāng)D=4 mm，d=80 mm時(shí)，不同巖石溫度下滾刀破巖載荷的仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比曲線.可以看出：隨著巖石溫度的升高，滾刀的破巖載荷逐漸下降，并呈現(xiàn)一定的階躍性，這與數(shù)值仿真得出的變化規(guī)律基本一致.這表明巖石溫度是影響盤形滾刀破巖效率的一個(gè)關(guān)鍵因素，巖石溫度的升高會(huì)使巖石內(nèi)部產(chǎn)生新的微裂紋或使原有微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，改變了巖石的強(qiáng)度及硬度，從而導(dǎo)致破巖載荷的改變.通過(guò)圖7可以看出仿真值與實(shí)驗(yàn)值之間存在一定的誤差，這主要是由于數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)中只對(duì)巖石局部進(jìn)行加熱，沒(méi)有整體加熱，且?guī)r石加熱后到切削有一定的時(shí)間差，使得巖石有一定的熱量散失.

巖石溫度/℃

圖7 破巖載荷仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比曲線

Fig.7 Comparison chart between simulation values

and experimental values of rock breaking load

2）破巖現(xiàn)象分析

圖8所示為雙滾刀共同破巖時(shí)，不同工況下巖石破碎情況.可以看出：刀間距為60 mm時(shí)，滾刀之間的協(xié)同作用較強(qiáng)，滾刀之間的巖石被完全破碎，形成許多小塊的巖渣，巖石過(guò)度破碎，巖石溫度越高，破碎塊度越小，如圖8（a）和（b）所示；刀間距為80 mm時(shí)，滾刀之間的協(xié)同作用減弱，刀間巖石裂紋基本貫通，產(chǎn)生大塊的巖渣，巖石溫度越高，破碎效率越好，如圖8（c）和（d）所示；刀間距為100 mm時(shí)，滾刀之間的協(xié)同作用較差，溫度較低時(shí)，滾刀下方出現(xiàn)兩條互不交匯的壓痕，呈現(xiàn)各自破碎狀態(tài)，巖石溫度越高，壓痕越明顯，產(chǎn)生大量粉末狀巖渣，出現(xiàn)過(guò)度破碎現(xiàn)象，能量耗損過(guò)大，破巖效率反而降低，如圖8（e）和（f）所示.總之巖石溫度的升高能增強(qiáng)滾刀之間的協(xié)同作用，提高滾刀的破巖效率.根據(jù)實(shí)驗(yàn)破碎模式的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出其變化規(guī)律與數(shù)值模擬所得出的巖石破碎規(guī)律基本一致，從而驗(yàn)證了數(shù)值仿真的可靠性以及可行性.

圖8 不同工況下巖石破碎情況

Fig.8 The rock breaking situation

under different conditions

3）破巖效率分析

采用精密電子秤對(duì)各工況下滾刀的破巖量進(jìn)行稱量，并進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)，再根據(jù)巖石材料的質(zhì)量，可以獲得滾刀的破巖體積，利用公式（13）計(jì)算出各工況下的破巖比能耗.表1所示為各工況下的破巖比能耗實(shí)驗(yàn)值與仿真值.可以看出：1）在同一巖石溫度下，隨著滾刀之間巖石裂紋從沒(méi)有貫通到剛好貫通，比能耗逐漸減小；隨著巖石裂紋從剛好貫通到過(guò)渡破碎，比能耗增加，即存在一個(gè)最優(yōu)刀間距破巖比能耗最小，其數(shù)值大概在80 mm左右；在相同刀間距和巖石溫度下，貫入度越大，破巖效率越高.2）在同一刀間距下，隨著溫度的升高，巖石裂紋從無(wú)貫通到交匯貫通，再到過(guò)度破碎，比能耗先減小后上升，說(shuō)明巖石溫度是影響比能耗的一個(gè)因素，隨著溫度的升高，最優(yōu)刀間距逐漸升高.由于仿真過(guò)程中所用的離散元顆粒模型是二維的，被設(shè)置為剛體的滾刀不可破壞和磨損，滾刀切削條件是在理想工況條件下進(jìn)行的，沒(méi)有受到來(lái)自外部無(wú)關(guān)條件的干擾，而在破巖實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，滾刀會(huì)存在磨損，且實(shí)驗(yàn)條件如滾刀的加載、巖石的加熱以及測(cè)試條件等受外界條件干擾的影響，因此仿真值與實(shí)驗(yàn)值存在一定的誤差，但在允許范圍內(nèi).

3 結(jié) 論

1）滾刀的破巖載荷隨貫入度的增加呈躍進(jìn)破碎特性；隨著巖石溫度的升高，破巖載荷逐漸降低，巖石破碎體積增加.

2）滾刀間距的增加，抑制了滾刀之間的協(xié)同作用，巖石裂紋不易交匯貫通，滾刀破巖呈現(xiàn)各自破碎模式；隨著貫入度的增加，巖石裂紋從不交匯到剛好交匯貫通，最后到形成過(guò)度破碎的破碎模式，使得滾刀下方應(yīng)力之間出現(xiàn)相互作用，減弱了滾刀之間巖石的強(qiáng)度，致使側(cè)向裂紋擴(kuò)展速度向兩側(cè)自由面增加.

3）隨著巖石溫度的升高，巖石的強(qiáng)度以及破裂方式發(fā)生改變，巖石更加容易破碎，相同刀間距、貫入度條件下，相對(duì)于溫度較低時(shí)巖石裂紋沒(méi)有出現(xiàn)貫通，溫度較高時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)貫通甚至過(guò)度貫通狀態(tài)，滾刀的最優(yōu)刀間距隨巖石溫度的升高而升高，隨貫入度的增大而變大.

總的來(lái)說(shuō)，巖石溫度的升高能增強(qiáng)滾刀之間的協(xié)同作用，使?jié)L刀的破巖效率增高.這表明巖石溫度是影響滾刀破巖特性的重要因素之一，基于巖石溫度的滾刀掘進(jìn)參數(shù)對(duì)破巖特性影響的研究具有一定工程實(shí)踐價(jià)值.

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