TBM边缘滚刀破岩机理的数值研究

为研究刀刃角和不同被切削材料对全断面硬岩掘进机（TBM）边缘滚刀破岩机理的影响规律,基于二维离散单元法,利用UDEC仿真软件建立了一系列边缘滚刀破岩数值模型,对边缘滚刀作用下被切削体内部裂纹生成、扩展和破碎过程进行数值模拟。仿真结果表明：张拉破坏是滚刀破岩时裂纹生成与扩展的主要原因;对于不同刀刃角的边缘滚刀接近弧面下端的斜裂纹长度要比弧面上端的长;大理岩裂纹扩展能力和破岩效率均随刀刃角的增大先增大后减小,因此对于硬岩刀刃角不宜过小也不宜过大;随着被切削材料强度增大,裂纹扩展越不充分,裂纹扩展能力和破岩效率均降低;与其他材料相比,TBM边缘滚刀对大理岩破坏损伤范围最小,破岩效率最低。最后通过实验和工程数据验证了仿真方法的正确性和可行性。     

TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟

采用颗粒流再现了锦屏大理岩脆-延-塑性转化特征,利用获得的细观参数建立TBM滚刀破岩离散元模型,模拟了单个TBM滚刀侵入断续单裂隙岩体过程,分析了裂隙倾角和围压对滚刀破岩效果的影响规律,最后从细观层面探讨了滚刀破岩机理。结果表明：含单裂隙岩体在单刀作用下,总体上表现为压缩性破坏、规则裂纹萌生与扩展、粉核区形成和主裂纹贯通4个阶段;当裂隙水平时翼裂纹萌生于裂隙中部,裂隙倾角较小时翼裂纹萌生于距尖端一定距离处,随着裂隙倾角的增大翼裂纹在裂隙尖端萌生。随着围压的增大,粉核区的范围逐渐变大,在高围压作用下出现侧向裂纹向自由面扩展;裂隙岩体比完整岩石更容易发生破坏,而且不同倾角裂隙岩体破坏难易程度也有所不同,总体上表现为：15°<45°<60°<0°<30°<90°<75°破岩由易到难。有围压条件下破岩难于无围压条件,且困难程度随着围压的提高而增大。     

TBM盘形滚刀破岩力计算模型分析

TBM挖掘机滚刀在挖掘过程中起着重要作用,研究滚刀的受力状态有助于优化设计,提升开采效率。对滚刀运动状态进行分析,根据其位置、速度关系得出滚刀运动规律,对滚刀受力状态进行分析。提出滚刀接触应力和破岩力的计算公式,对结果进行调整修正,使其更符合滚刀实际工作情况。经试验验证,滚刀破岩力计算公式与滚刀受力基本吻合,公式能够作为滚刀分析和优化设计的参考。     

TBM滚刀破岩效果及新型刀具的应用研究

TBM滚刀磨损是影响TBM掘进效率和施工成本的重要因素,不同刀刃刃形的破岩效率和磨损均会有所不同。本文对楔形弧刃滚刀的破岩机理进行了分析,建立了滚刀法向切削力计算模型,分析了滚刀刀刃角对法向切削力的影响;继而设计了3种不同刀间距、3种不同刃形滚刀,并进行了室内滚刀破岩试验。试验结果表明：刀间距15 mm为合理刀间距;尖刃滚刀最易磨损,齿刃比弧刃滚刀破岩效果好,破岩效率相对较高且耐磨损。结合工程现场实际情况,研发了一种新型齿刃楔形刀具,并应用到工程现场TBM斜井掘进。应用情况表明：新型齿刃楔形刀具比两种常规刀具的磨损量减少20%,刀具寿命有所提高。新型齿刃楔形刀具的研发和成功应用,解决了斜井TBM掘进刀具的较大磨损和频繁更换问题,为TBM长距离斜井掘进提供了技术支持,缩短了掘进工期,节约了施工成本。     

静力破碎剂破岩机理

介绍静力破碎剂的主要组分、破岩基本原理和破岩三大要素.     

TBM盘形滚刀破岩力计算模型研究

TBM盘形滚刀破岩力计算对TBM设计及施工具有重要意义。分析滚刀运动规律发现,滚刀法向推力对破岩起主导作用。假定了滚刀与岩石间接触应力分布形态,推导了常截面盘形滚刀的法向推力与滚动力计算公式,并利用多种不同强度岩石的线性切割试验结果进行验证,结果表明计算值与试验数据较为吻合,证实了公式的准确性与适用性。对计算值误差分析发现,滚刀破岩力计算精度与滚刀-岩石接触应力分布形态选取相关,采用最小二乘拟合思想,基于计算值与试验值的相对误差对接触应力分布指数进行修正,发现接触压力分布指数随滚刀贯入深度增大近似呈指数规律变化,提高了破岩力计算公式的预测精度。研究结果可为TBM设计和施工提供依据。     

水射流辅助破岩机理研究

总结近年来国内外高压水射流辅助破岩机理的研究成果。提出简化力学模型,并进行弹性力学和有限元分析,阐述了高压水射流与机械刀具联合破碎岩石的机理与效果。     

爆破破岩机理动力分析

本文运用岩体动力学原理,分析了冲击波、应力波和爆生气体对岩体的破碎作用,提出了不同区域内岩体的破坏模拟与判据,给出了确定岩体破碎范围的公式。并以2~#岩石炸药为例,估算了中等强度以上岩体爆破时的各种破坏范围,其结果与实际工程基本吻合。     

硬质合金复合片齿钎头破岩机理探讨

对硬质合金复合片齿钎头的破岩机理进行了初步探讨,它对复合片齿钎具的几何结构参数设计具有一定的指导意义。     

现代破岩方法综述

随着现代科学技术的发展,岩石破碎的方法和技术出现了一些新的发展趋势.一般地,破岩方法可分为机械能破岩和热能破岩2种.介绍了几种现代破岩方法等离子体破岩、电子束破岩、激光破岩、微波破岩、热力综合破岩、射弹冲击破岩,以及它们的特点.     

深部节理岩体TBM滚刀破岩效果及最优刀间距研究

为了优化深部岩体中TBM刀盘滚刀的布置,提高TBM掘进效率,采用二维离散元软件UDEC分别研究了节理间距、倾角及贯入度对滚刀破岩的影响。研究结果表明:节理间距为50 mm时,裂纹均扩展到节理面,但节理面对裂纹的扩展有阻隔作用,不管节理的倾角如何,裂纹仍然沿着其倾斜的方向扩展;节理间距不大于100 mm时,岩石的裂纹可以扩展到节理面,节理对裂纹扩展起到控制作用;当节理间距不小于150 mm时,裂纹的扩展无法到达节理面,节理基本不影响裂纹扩展;对于水平节理,节理间距较小时,节理的存在不利于滚刀破岩,随着节理间距的增加,这种不利影响逐渐减弱、直至消失。节理倾角为30°时,由于节理倾角较小,节理间距的减小导致最优刀间距也在减小。节理倾角为60°时,节理间距越小越有利于滚刀的破岩。最佳贯入度随着节理倾角的变大存在逐渐上升的变化趋势,倾角0°变大至90°时,最佳贯入度从2 mm左右比较迅速地增大至7 mm左右。     

非常规碎岩技术的研究进展

论述了非常规碎岩方法——热熔岩法、热机碎岩法和脉冲放电碎岩法的碎岩机理、碎岩工具以及工艺等技术的国内外研究取得的成果。国内的热熔岩技术研究在热熔器结构上取得突破,处于国际先进水平。热机钻进产生的温度能达到岩石的最佳热破碎温度,说明工艺是可行的。脉冲放电碎岩法在小直径钻孔中的试验,表明了其比常规碎岩法具有非常低的能量消耗。     

全断面硬岩TBM刀盘结构设计研究

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。

     

煤矿回采工作面智能地质保障技术进展与思考

利用水射流对岩体进行预切缝是提高竖井全断面掘进机破岩效率、实现深部资源机械化开发的关键技术。针对预切缝位置及深度合理参数选取的难题,首先指出了锥面刀盘带动下滚刀破岩的工况特征,进而基于Cohesive单元方法,建立了预切缝条件下的滚刀破岩离散−连续耦合数值模型。以完整岩体为对照组,对比分析了不同预切缝距离和深度对滚刀破岩的受力特征和岩石破碎特征的影响规律。阐述了预切缝条件下,滚刀破岩时密实核形成、块状岩渣形成、Hertz裂纹扩展3个阶段性特征,指出了岩体的非对称破碎特性和不同区域岩渣的形成机制。最终从滚刀受力、破岩面积、破岩比能耗、岩渣破碎程度4个方面综合分析,确定了预切缝的最佳距离和深度取值范围。研究结果表明：预切缝可以显著减小竖井全断面掘进机滚刀破岩过程中的贯入力和侧向力。与完整岩体相比,贯入力峰值降低了44.0%～10.3%。侧向力峰值降低了35.2%～6.5%。预切缝间距及深度较小时,会限制滚刀破岩范围,同时使得破碎岩体块度更小,导致破岩比能耗增高。随着预切缝深度的增大,破岩体积先增大后趋于稳定,比能耗先减小后保持不变。最终,确定了切缝距离为70～90 mm,深度为60～80 mm时破岩效果最佳,破岩体积较无切缝时提高约1倍,破岩比能耗降低69.2 %。研究结果为刀盘辅助破岩装备的设计及参数确定提供了参考。

     

反井钻井硬岩滚刀研制与开发

针对目前反井施工钻进硬岩出现的破岩效率低、滚刀寿命短、成本高等问题,研制了适用于硬岩钻进的新型镐形镶齿滚刀,并通过镐形刀齿与锥形刀齿的对比试验及工程应用,分析了破岩效果,验证了该齿形破碎硬岩的合理性,对于反井钻井法的推广应用起到积极的作用。     

非传统钻进方法热能碎岩的原理及其初步实践

提出了一种非传统的利用热能破碎岩石的新型钻进方法,包括热力钻进法、热熔岩石钻进法和超高频电加热机械切削组合钻进法,介绍了其碎岩机理、适用范围、初步应用情况及前景     

基于现场数据的TBM可掘性和掘进性能预测方法

以东北某特长隧道TBM工程为背景,基于直径8.5 m开敞式TBM现场实际掘进数据,在进行贯入度指数FPI与主要地质因素间相关性分析的基础上,建立了贯入度指数FPI与关键地质因素岩石单轴抗压强度USC和岩体完整性系数Kv之间的多元回归关系式;进一步建立了TBM掘进贯入度P与FPI之间的拟合关系式,以及推进力F与FPI之间的拟合关系式。按照上述关系式对给出岩石抗压强度USC和岩体完整性系数Kv的TBM工程就可进行可掘性分析,并计算出贯入度、掘进速度和所需推进力。     

硬岩钻井刀具密封失效原因分析及改进

针对硬岩钻井施工中出现刀具寿命短、更换刀具成本高等问题,分析了硬岩钻井刀具密封结构失效的原因,并有针对性地提出了刀具密封失效的改进措施,对提高硬岩钻井刀具使用寿命、降低钻井成本等都具有重大意义。