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    巖石溫度對(duì)盤形滾刀掘進(jìn)參數(shù)破巖特性的影響

    2015-05-29 15:00:47張桂菊譚青夏毅敏李建芳勞同炳

    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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