考慮巖體強度及截割參數(shù)的掘進(jìn)機截齒破巖特性

＊武茂超 萬鵬 姚樹標(biāo) 黃開飛 汪杰

（1.山東黃金礦業(yè)（玲瓏）有限公司 山東 265433 2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院 北京 100083）

在適當(dāng)?shù)那闆r下，機械挖掘技術(shù)比“鉆爆法”更具吸引力的原因是其生產(chǎn)率提高、操作環(huán)境友好、易于自動化、連續(xù)和選擇性開采、芯片尺寸可控性和更高的安全性，并且能夠減少鑿巖爆破開采帶來的高貧化損失率。因此，掘進(jìn)機在金屬礦山中也擁有廣大的使用前景。

自20世紀(jì)80年代以來，通過理論、實驗和仿真等手段，對掘進(jìn)機中截齒切削性能或切削特性的研究引起了學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注[1-3]。但對于金屬礦山中掘進(jìn)機的使用條件研究甚少，董磊等[4]利用顆粒流仿真軟件PFC2D進(jìn)行單齒截割模擬仿真，探討了單齒截割巖石時接觸狀態(tài)對截割力的影響。張曉龍等[5]研究截齒截割煤巖的動態(tài)破碎過程以及不同切削厚度對切削力的影響，采用離散元軟件EDEM建立了煤巖截割的三維離散元模型并進(jìn)行了仿真分析。Liu等[6]分析鎬型截齒截割過程和煤巖力學(xué)特性試驗的基礎(chǔ)上，基于PFC（顆粒流程序）中的經(jīng)驗截割參數(shù)、不同割刀間距、煤樣力學(xué)性能模擬、鎬型截齒廓形和SRM（合成巖體）方法，建立了一組鎬型截齒截割煤巖模型。截齒對巖石的破壞是一個復(fù)雜的斷裂過程，且在截割過程中也一直處于變化的狀態(tài)，而離散元法在模擬煤巖破碎狀態(tài)、裂紋的萌生、擴展等方面具有明顯優(yōu)勢[7-8]，因此常被用于截齒截割破巖模擬研究。

綜合分析國內(nèi)外的研究成果可知，以往的截割破巖理論已經(jīng)相對成熟，但主要的研究對象為煤礦使用的采煤機，對于金屬礦使用的掘進(jìn)機截齒方面的研究尚少，在現(xiàn)場中掘進(jìn)機截齒的適用范圍選擇面臨較大挑戰(zhàn)，因此本文試驗是基于單齒截割金屬礦山巖體，采用PFC3d軟件開展了28種工況條件下截齒截割破巖仿真模擬實驗，分析截齒截割破巖過程中截割力、裂紋演化、比能耗的變化規(guī)律，以期為掘進(jìn)機的現(xiàn)場工作提供一定的指導(dǎo)作用。

1.研究方案

由井下極破碎巖體區(qū)域的巖體回彈測試得到現(xiàn)場巖體力學(xué)性質(zhì)可知，開采地帶的巖體平均最小單軸抗壓強度為23.01MPa，平均最大單軸抗壓強度為50.31MPa，為全面的探究在不同強度的巖體條件下，破碎機對巖體的切割破碎影響，將模型巖體的強度劃分為25MPa、35MPa、45MPa、55MPa四個區(qū)段。截割深度劃分為2mm、4mm、6mm、8mm，截割角度為35°、40°、45°、50°，各影響水平的取值如表1所示。

表1 實驗方案

以截割角度為45°，將巖體強度與截割深度兩兩組合成16種工況，再以截割深度為4mm，將巖體強度與截割角度兩兩組合成16種工況，去除截割深度4mm、截割角度45°的四種重復(fù)工況，共得到28種截割破巖的模擬數(shù)據(jù)。

2.模型構(gòu)建與參數(shù)標(biāo)定

（1）模型構(gòu)建。礦山采用XTR4/180懸臂式隧道掘進(jìn)機進(jìn)行及破碎巖體開挖，切割機構(gòu)主要由切割頭、切割臂、噴霧架、減速機、切割電機組成，如圖1所示。

圖1 切割機構(gòu)

本次模擬實驗為測試單個截齒的截割性能，根據(jù)XTR4/180懸臂式隧道掘進(jìn)機上截齒形狀建立實體截齒模型。綜合考慮模型尺寸和計算效率，建立尺寸大小為50mm×50mm×100mm巖體模型，巖體顆粒數(shù)目為17677，如圖2所示。

圖2 模型構(gòu)建

（2）參數(shù)標(biāo)定。在開展模擬實驗前，需對設(shè)定的四個巖體強度進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，以保證模擬的準(zhǔn)確性，通過試錯法，不斷重復(fù)進(jìn)行巖體顆粒細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定，使得四種巖體宏觀力學(xué)特性與現(xiàn)場巖體測定結(jié)果相吻合，此時可認(rèn)為巖體模型構(gòu)建正確，其標(biāo)定后巖體宏細(xì)觀參數(shù)見表2。

（3）模擬過程。在模擬初始階段，將生成巖體顆粒體模型時用于約束顆粒的頂部和側(cè)面墻體刪除，并將靠近底部墻體的顆粒固定，如圖2所示。為保證巖體顆粒體在準(zhǔn)靜態(tài)平衡狀態(tài)下參與截割，模擬采用較小的截割速度0.004mm/s。在整個模擬截割過程中，截齒的截割距離為40mm。對作用于截齒上的截割力載荷進(jìn)行實時監(jiān)測，并記錄試驗過程中產(chǎn)生的裂紋數(shù)目。

3.結(jié)果分析

對構(gòu)建的28種巖體模型開展截齒截割破巖數(shù)值模擬實驗，得到各組截割模型的截割力載荷（法向力Fn和切向力Fc）、裂紋數(shù)量以及通過計算得到得掘進(jìn)機比能耗。

（1）截割法向力變化特征。截割破巖過程中，截割三向力曲線的變化規(guī)律基本一致，但是法向力的變化幅度相對較大，能較好的觀察其變化規(guī)律，因此將截割法向力作為分析對象。圖3為巖體強度、截割深度、截割角度分別在其余兩者影響水平不變的條件下，產(chǎn)生的各組模擬實驗的截割法向力曲線。由圖3（a）中可得，隨著巖體強度的增加，截割法向力荷載曲線的峰值位置隨著往后移，說明巖體強度增加阻礙了截齒對巖體的破壞。從圖3（b）可知，截割深度從一定值開始增加時，截割法向力荷載曲線的峰值位置隨著往后移，說明截割深度增加阻礙了截齒對巖體的破壞，但是在截割深度為2mm時的截割法向力峰值表現(xiàn)在截割停止時刻，說明截割深度太淺，截齒與巖體接觸面較少，其截割力曲線的峰值變化較大。由圖3（c）中可得，隨著截割角度的增加，截割法向力荷載曲線的峰值位置沒有發(fā)生顯著變化，說明截割角度增加不影響截齒對巖體的峰值破壞方式。

圖3 截割法向力曲線

截割破巖整個過程中，為反應(yīng)截割力在不同巖體強度水平下，隨截割深度、截割角度增加而產(chǎn)生的變化，將截割力進(jìn)行平均化處理，得到各組合模擬實驗的平均截割力，并對其切向力和法向力變化規(guī)律進(jìn)行分析，如圖4、圖5所示。

圖4 平均截割力隨截割深度與巖體強度的變化

圖5 平均截割力隨截割角度與巖體強度的變化

由圖4可知，平均切向力和法向力在不同巖體強度水平下，均隨著截割深度的增加而增加，在巖體強度25MPa至55MPa四個水平中，隨著截割深度的增加平均切向力分別增加了175%、189%、208%、183%，平均法向力分別增加了282%、352%、388%、339%。

由圖5可知，在35MPa至55MPa的三個巖體強度水平下，平均法向力隨著截割角度的增加而增加，在25MPa的巖體強度水平下，平均法向力在35°增至45°過程中隨之增加，從45°至50°轉(zhuǎn)為下降。而在25MPa至55MPa的四個巖體強度水平下，平均切向力在35°增至50°過程中，呈現(xiàn)“N”狀先增大后減小再增大的變化規(guī)律。

為探究截割力中法向力與切向力之間的增長關(guān)系，將法向力與切向力相比，得到其比值在不同巖體強度下與截割深度、截割角度的變化規(guī)律，并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，如圖6所示。

圖6 Fn/Fc的擬合曲線

由圖6可知，擬合曲線隨著截割深度、截割角度的增加依次從上往下排列，在截割深度從2mm增至8mm的過程中，F(xiàn)n/Fc隨著截割深度的增加而降低，F(xiàn)n/Fc與截割深度呈線性降低關(guān)系，并且擬合關(guān)系良好；在截割角度從35°增至50°的過程中，F(xiàn)n/Fc隨著截割角度的增加先增大后減小，呈二次項擬合關(guān)系，且擬合關(guān)系良好。在巖體強度增加時，截割法向力和切向力均增大，但是Fn/Fc減小，此時截齒的法向和切向受力大小較為平衡，有利于截齒破巖的穩(wěn)定進(jìn)行，但是截割力變大，將產(chǎn)生更多不必要的做功，具體研究需要更進(jìn)一步的對其截齒比能耗進(jìn)行分析。

（2）裂紋演化規(guī)律。巖體模型中的顆粒體斷裂是基于剪切失效和拉伸失效兩種模式下產(chǎn)生的，在接觸區(qū)域附近，只要截齒對顆粒體的法向或切向作用力超過黏結(jié)鍵的法向或切向強度，則發(fā)生黏結(jié)斷裂。隨著截齒破巖進(jìn)程的推進(jìn)，顆粒之間黏結(jié)斷裂數(shù)目增加，微觀裂紋逐漸延伸并擴展，紅色和黑色圓盤分別代表顆粒間黏結(jié)鍵因法向和切向失效而形成的斷裂，對截割過程中的裂紋演化規(guī)律進(jìn)行分析，得到裂紋數(shù)量曲線，如圖7所示。

圖7 裂紋數(shù)量演化

在加載初期，截齒慢慢截割巖體，與巖體的接觸面增加，到截齒完全進(jìn)入巖體后，接觸面大小保持穩(wěn)定，裂紋數(shù)量在慢慢進(jìn)入巖體時期緩慢增長，在全部進(jìn)入巖體內(nèi)部后轉(zhuǎn)為快速增長。從圖7（a）可知，巖體強度從25MPa增至55MPa過程中，裂紋數(shù)量曲線從上至下排列，其中25MPa與35MPa的裂紋數(shù)量曲線間隔較大，而35MPa至55MPa的裂紋數(shù)量曲線的分布間隔較小，且從截割破巖圖中可以看出裂紋發(fā)育范圍逐漸變小，說明巖體強度越大，顆粒之間的黏聚力越大，產(chǎn)生破壞的范圍越小。從圖7（b）可知，截割深度從2mm增至8mm的過程中，裂紋數(shù)量曲線從下至上排列，且從截割破巖圖中可以看出裂紋發(fā)育范圍逐漸變大，說明截割深度的增加，截齒與巖體的接觸面增大，因此在破巖過程中產(chǎn)生的裂紋數(shù)量增加。從圖7（c）可知，截割角度從35°增至50°的過程中，裂紋數(shù)量曲線從下至上排列，且從截割破巖圖中可以看出裂紋發(fā)育范圍逐漸變大，說明截割角度增加，截齒對巖體的破壞范圍變大。

（3）比能耗分析。截割單位體積巖體所消耗的能量稱為比能耗，它與巖體性質(zhì)、旋轉(zhuǎn)速度、采掘設(shè)備的截割功率及刀具幾何形狀密切相關(guān)，是確定采掘機械截割效率的重要參數(shù)之一。常用的比能耗計算公式如下：

其中，SE—比能耗，單位kWh/m3；Fc—平均切向力，單位kN，即為一組試驗中所有截割刀次測得切向力數(shù)據(jù)的平均值；L—截割長度，單位mm；—巖體密度，單位g/cm3；m—巖屑質(zhì)量，單位g。

截割長度為40mm，巖體密度為2500g/cm3，可以計算得出不同截割深度和不同巖體強度的掘進(jìn)機截割比能耗，并做巖體強度及截割深度與比能耗之間的關(guān)系圖，如圖8、圖9所示。

圖8 比能耗的變化規(guī)律

圖9 比能耗三維擬合關(guān)系

從圖8可知，在25～55MPa的四個巖體強度水平，截割深度從2mm增至8mm的過程中，比能耗隨著截割深度的增加而降低；在截割角度從35°增至50°的過程中，比能耗隨著截割角度的增加呈先增加后降低趨勢，在截割角度為40°、45°時比能耗較大。

由圖9（a）可知，在2mm截割深度條件下，截割比能耗隨著巖體強度的降低而降低，巖體強度從55MPa減少至25MPa過程中降低了75.8%；在25MPa巖體強度時，比能耗隨著截割深度的增加而降低，截割深度從2mm增至8mm過程中降低了60.6%；在8mm截割深度條件下，截割比能耗隨著巖體強度的降低而降低，巖體強度從55MPa減少至25MPa過程中降低了73.2%；在55MPa巖體強度時，比能耗隨著截割深度的增加而降低，截割深度從2mm增至8mm過程中降低了64.5%。由圖9（b）可知，比能耗、巖體強度與截割角度的三維擬合關(guān)系，變?yōu)橹虚g拱背的形狀，在巖體強度為25MPa、截割角度為35°和50°時比能耗最低，而在巖體強度為55MPa、截割角度為40°與45°之間最高。

綜合分析圖8、圖9，從比能耗與巖體強度、截割深度、截割角度的關(guān)系可知，掘進(jìn)機的工作適用條件應(yīng)該在巖體強度為25MPa，截割深度為8mm，截割角度為35°或50°的條件下。

4.結(jié)論

（1）巖體強度、截割深度的增加，顯著阻礙了截齒對巖體的破壞，而截割角度的增加對截齒破巖的影響較?。籉n/Fc與截割深度呈線性降低，與截割角度呈二次項函數(shù)先增后減，在巖體強度增加時，截割法向力和切向力均增大。（2）巖體強度越大，顆粒之間的黏聚力越大，裂紋的發(fā)育破壞范圍減??；截割深度增加，截齒與巖體的接觸面增大，破巖過程中裂紋數(shù)量增加；截割角度增加，截齒對巖體的破壞范圍稍微變大，裂紋數(shù)量增加。（3）從比能耗與巖體強度、截割深度、截割角度的關(guān)系可知，掘進(jìn)機的工作適用條件應(yīng)該在巖體強度為25MPa，截割深度為8mm，截割角度為35°或50°的條件下。