譚 青,張旭輝,夏毅敏,朱 逸,易念恩,張 佳

(1.中南大學(xué)機電工程學(xué)院,湖南長沙 410083;2.高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室,湖南長沙 410083;3.湘潭大學(xué)機械工程學(xué)院,湖南湘潭

411105)

不同圍壓與節(jié)理特征下盤形滾刀破巖數(shù)值研究

譚 青1,2,張旭輝1,2,夏毅敏1,2,朱 逸1,2,易念恩1,2,張 佳3

(1.中南大學(xué)機電工程學(xué)院,湖南長沙 410083;2.高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室,湖南長沙 410083;3.湘潭大學(xué)機械工程學(xué)院,湖南湘潭

411105)

為了研究圍壓、節(jié)理特征對盤形滾刀破巖的影響,采用顆粒離散元法建立了不同圍壓、節(jié)理特征下的盤形滾刀破巖模型并進(jìn)行數(shù)值仿真,研究不同圍壓與節(jié)理特征下對應(yīng)的破碎模式、破巖比能耗和裂紋數(shù)目。研究表明:盤形滾刀破巖時,隨著圍壓與節(jié)理特征的變化,會呈現(xiàn)4種破碎模式;其中當(dāng)圍壓為50 MPa,節(jié)理間距小于60 mm以及節(jié)理傾角在30°附近時呈圍壓促進(jìn)破碎模式,該破碎模式類似于巖爆,破巖比能耗極低;當(dāng)圍壓和節(jié)理間距一定時,比能耗隨著節(jié)理傾角的增大先減小后增大,且在30°時取得最小值;當(dāng)圍壓和節(jié)理傾角一定時,比能耗隨著節(jié)理間距的增大而增大;當(dāng)節(jié)理間距一定時,節(jié)理傾角在0°,90°附近時,比能耗隨著圍壓的增大而增大。而當(dāng)節(jié)理傾角在15°～75°時,比能耗隨圍壓由1 MPa增加到25 MPa時而增大,由25 MPa增加到50 MPa時而減小;另外,破碎模式、比能耗和裂紋數(shù)目三者關(guān)系密切,其中比能耗和裂紋數(shù)目之間的變化趨勢相反。

盤形滾刀;圍壓;節(jié)理間距;節(jié)理傾角;破碎模式;比能耗;裂紋數(shù)目

全斷面隧道掘進(jìn)機(TBM)已經(jīng)廣泛使用于地下空間的隧道掘進(jìn)工程中,而TBM盤形滾刀破巖又是掘進(jìn)過程中的核心內(nèi)容,因此對盤形滾刀破巖的研究顯得極為重要。盤形滾刀破巖過程中,地質(zhì)條件是極其復(fù)雜的,如圍壓、節(jié)理、巖溶等[1-3],這些地質(zhì)因素對盤形滾刀破巖必然有較大的影響。Chen L H等[4]通過實驗研究得出了當(dāng)圍壓達(dá)到一個臨界值時,裂紋的擴展就會受到限制,且圍壓的改變對刀具的貫入力影響不大的結(jié)論。張魁等[5]利用UDEC軟件模擬了在不同圍壓的作用下盤形滾刀破巖過程,研究了圍壓和最優(yōu)刀間距之間的關(guān)系。Ma H S等[6]利用RFPA軟件研究了不同圍壓對盤形滾刀破巖的影響,得到了圍壓的改變會改變裂紋擴展方向、有效裂紋長度等結(jié)論。孫金山等[7]利用PFC2D軟件研究了節(jié)理強度等對TBM滾刀破巖的影響,得到了較好的結(jié)論。Bejari H等[8]利用UDEC軟件研究了節(jié)理間距和節(jié)理傾角對單刀破巖的影響,研究表明節(jié)理間距增大會減小刀具的切入率,節(jié)理傾角在25°～30°時最有利于刀具破巖。劉紅巖等[9]通過實驗研究了節(jié)理對巖石的破壞模式、單軸抗壓強度、彈性模量的影響。Ghazvinian A等[10]通過實驗研究表明巖石的強度隨圍壓增大而增大,巖石強度隨節(jié)理傾角的增大先增大后減小,其中節(jié)理傾角為45°時巖石強度最小。這些研究成果對于研究不同圍壓、節(jié)理特征下的盤形滾刀破巖具有很大的參考價值。在此基礎(chǔ)上,本文借助于PFC2D離散元軟件對在不同圍壓、節(jié)理特征下的盤形滾刀破巖進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究圍壓和節(jié)理特征對盤形滾刀破巖的影響,為數(shù)值模擬技術(shù)在刀具破巖研究中的應(yīng)用提供參考。

1 盤形滾刀破巖數(shù)值模型

1.1 巖石試樣宏細(xì)觀參數(shù)的確定

錦屏二級水電站地層中主要以大理巖和花崗巖等硬巖為主,這類硬巖石單軸抗壓強度普遍在100 MPa左右,屬于較高強度巖石地層,選擇該地層的某一硬巖為研究對象,其巖石試樣的宏觀力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石試樣的宏觀力學(xué)參數(shù)Table 1 Themacromechanical parameters of the rock specimen

巖石試樣的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)一般是通過模擬單軸壓縮、巴西劈裂和直剪等數(shù)值實驗進(jìn)行反復(fù)標(biāo)定,不斷去匹配巖石試樣的宏觀力學(xué)參數(shù)得到的。設(shè)定巖石試樣數(shù)值模型的最大和最小顆粒半徑之比為1.66,顆粒的最小半徑取0.8 mm;顆粒密度ρ= 3 375 kg/m3,由于巖石試樣存在空隙率,所以顆粒密度大于巖石試樣的宏觀密度;選用接觸黏結(jié)模型[11]來模擬顆粒之間的接觸方式。單軸壓縮數(shù)值試驗巖石試樣尺寸為100 mm×50 mm,如圖1(a)所示,上下兩道墻體為加載壓盤模擬壓縮實驗時用的加載板,賦予上下墻一定的速度來給試樣進(jìn)行加載;巴西劈裂數(shù)值試驗巖石試樣的直徑為50 mm,如圖1(b)所示,通過給兩側(cè)墻一個緩慢的速度來給圓盤加載,直至圓盤發(fā)生破裂;直剪數(shù)值試驗尺寸為100 mm×100 mm,如圖1(c)所示,通過伺服加壓程序給上下墻體施加不同恒定的正應(yīng)力,下剪切盒固定,上剪切盒以恒定的速度進(jìn)行剪切。經(jīng)過上述不斷標(biāo)定選取合適的細(xì)觀參數(shù)可得到巖石試樣在PFC2D中的細(xì)觀參數(shù)見表2。

圖1 顆粒流模型細(xì)觀參數(shù)的確定Fig.1 Meso parameters determination in PFC2D

表2 巖石試樣細(xì)觀力學(xué)參數(shù)Tab le 2 Themesom echanical param eters of the rock specimen

1.2 巖石試樣節(jié)理參數(shù)的確定

在PFC2D軟件中,節(jié)理是在先生成巖石試樣以后再通過jset命令設(shè)置的。通過定位設(shè)置指定某一平面兩側(cè)的顆粒間的接觸處,將此接觸處兩側(cè)的顆粒接觸強度以及摩擦因數(shù)重新設(shè)定,即可在巖石試樣中形成節(jié)理。為了研究節(jié)理力學(xué)特性,通過PFC2D內(nèi)置FISH語言建立直剪數(shù)值試驗?zāi)Ｐ汀９?jié)理直剪試驗?zāi)Ｐ腿鐖D2所示,由剛性墻體組成上下2個剪切盒,其中位于下方的剪切盒固定,位于上方的剪切盒可以按照設(shè)定的速度向左移動,對試樣進(jìn)行剪切。模型試樣的上下墻通過伺服加壓程序,可以設(shè)定不同的正應(yīng)力,如圖2所示的上下墻上的箭頭。試驗時記錄剪切過程中的剪切應(yīng)力和剪切位移。模型所剪巖石試樣尺寸為100 mm×100 mm,在其中間位置水平方向設(shè)置一連通節(jié)理。

圖2 節(jié)理直剪試驗?zāi)Ｐ虵ig.2 Model for joint direct shear test

巖石試樣采用的細(xì)觀參數(shù)見表2,通過jset命令生成節(jié)理后,節(jié)理處顆粒的細(xì)觀參數(shù)被重新賦值,其中節(jié)理處顆粒的黏結(jié)強度取50 kPa,摩擦因數(shù)取0.15。在不同的法向應(yīng)力作用下進(jìn)行數(shù)值直剪數(shù)值試驗,得到剪切應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系,如圖3所示。

提取數(shù)值直剪試驗中得到的峰值剪切應(yīng)力,可得其與法向應(yīng)力的關(guān)系,當(dāng)法向應(yīng)力為0.1,1.0,1.5, 2.0,2.5 MPa時,峰值剪切應(yīng)力分別為9.05,9.62, 10.2,10.8,11.4MPa,并根據(jù)上面的數(shù)據(jù)擬合得其關(guān)系如圖4所示。從圖中可知該節(jié)理的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為8.45 MPa和50°。

圖3 剪切應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系Fig.3 Relationship between shear stress and shear displacement

圖4 法向應(yīng)力和峰值剪切應(yīng)力擬合曲線Fig.4 Fitting curve between normal stress and peak shear stress

1.3 盤形滾刀破巖模型

盤形滾刀在破巖過程中,一方面由于切向摩擦力的作用,盤形滾刀繞自身中心自轉(zhuǎn),另一方面盤形滾刀受法向推力侵入巖體,沿法向方向不斷貫入。而就裂紋的產(chǎn)生和擴展而言,主要是由法向推力主導(dǎo)的。本文主要研究法向推力對破巖的影響,從而將三維的滾壓問題簡化為二維的侵入問題。蘇利軍等[12-14]通過研究表明將盤形滾刀破巖過程簡化成二維平面問題是可行的。

如圖5所示巖石試樣尺寸為300 mm×160 mm,賦予表2細(xì)觀參數(shù)后隨機生成,模型生成后賦予上述節(jié)理細(xì)觀參數(shù)產(chǎn)生節(jié)理。

圖5 盤形滾刀破巖模型Fig.5 Numericalmodel of breaking rock by disc cutter

巖石試樣中節(jié)理傾角定義為節(jié)理與x軸的夾角α,節(jié)理間距定義為兩節(jié)理之間的法向長度s。盤形滾刀刀刃寬度為10 mm,過渡圓弧半徑為4 mm,刀刃角為20°,盤形滾刀由墻構(gòu)成,由于只研究盤形滾刀對巖石破壞的影響而不研究其他因素對盤形滾刀的影響,所以將盤形滾刀看作剛體,破巖過程中不發(fā)生變形。盤形滾刀在破巖過程中,巖石試樣處于圍壓的環(huán)境下(圖5中左右兩側(cè)的箭頭代表圍壓),盤形滾刀與巖石試樣的接觸處周圍是自由無約束的,即巖石試樣上側(cè)為自由面,而巖石試樣的左右兩側(cè)受圍壓,下側(cè)為非自由面,由固定墻限制。圍壓通過伺服加壓程序控制左右兩側(cè)墻來實現(xiàn)。通過賦于兩側(cè)墻圍壓后,再賦予盤形滾刀恒定的貫入速度,盤形滾刀開始向下運動,逐漸貫入巖石試樣,模擬不同圍壓、節(jié)理特性下的盤形滾刀破巖過程。工程中隨著掘進(jìn)的進(jìn)行,掘進(jìn)工作面為自由面,其初始地應(yīng)力得到了某些釋放,并且主應(yīng)力的方向和大小都會發(fā)生一定的改變,但為了便于分析將其簡化為圍壓不隨滾刀的貫入而改變,因此依據(jù)TBM所處掘進(jìn)地層可能存在的原巖應(yīng)力范圍,分別賦予巖石試樣的圍壓值為1,25, 50 MPa三種情況,且定義1 MPa為低圍壓,25 MPa為中圍壓,50 MPa為高圍壓。自然界中巖石的節(jié)理分布一般都比較復(fù)雜,同時盤形滾刀與節(jié)理的相對位置也不斷發(fā)生著變化,因此須對實際問題進(jìn)行必要的簡化,則假定巖石試樣中只存在一組規(guī)則布置的節(jié)理,分別賦予節(jié)理傾角為0°,15°,30°,45°,60°,75°, 90°,節(jié)理間距為40,60,80 mm等不同的節(jié)理特征。依據(jù)上述所賦參數(shù)值,進(jìn)行數(shù)值仿真。

2 數(shù)值計算結(jié)果及分析

由上述可知設(shè)定每1種節(jié)理間距下對應(yīng)3種圍壓值,每1種圍壓對應(yīng)7種節(jié)理傾角,一共63組的數(shù)值仿真實驗。賦予節(jié)理間距、圍壓、節(jié)理傾角不同值后,進(jìn)行PFC2D數(shù)值仿真,可得到63組不同情況下,貫入度為10 mm時的破碎模式、裂紋數(shù)、破碎功W、破碎體積V、比能耗E,從而得到表3(由于篇幅原因,只列出2種節(jié)理間距和4種節(jié)理傾角的數(shù)據(jù))。

表3 貫入度為10 mm時的滾刀破巖參數(shù)Table 3 The parameters of breaking rock by disc cutter when the penetration is 10mm

依據(jù)文獻(xiàn)[15-16]可知

式中,F為盤形滾刀破巖過程中所受的y方向平均力;W為破巖過程中所消耗的能量;L為貫入度;V為破碎體積,V=St,S為破碎面積之和,是通過裂紋的擴展形式和擴展程度來測量的,t為單位厚度。

2.1 破碎模式

由表3可知,盤形滾刀破巖過程中,隨著圍壓、節(jié)理間距、節(jié)理傾角的改變,對應(yīng)的破碎模式發(fā)生了變化。破碎模式是根據(jù)裂紋的擴展形式來描敘的。圖6是貫入度為10 mm時對應(yīng)表3中不同圍壓和節(jié)理特征的盤形滾刀破巖狀態(tài)。

為了便于說明各圖之間的關(guān)系,定義a#b#c,其中a表示圍壓值,b表示節(jié)理間距,c表示節(jié)理傾角,如25#40#60表示圍壓為25 MPa,節(jié)理間距為40 mm,節(jié)理傾角為60°。

圖6 貫入度為10 mm時的破巖狀態(tài)Fig.6 State diagram of breaking rock:penetration is10 mm

通過對貫入度為10 mm時對應(yīng)的破巖狀態(tài)圖觀察可歸納出以下幾種破碎模式:①節(jié)理阻隔破碎模式。該破碎模式是指節(jié)理對裂紋的擴展起到阻隔作用,不能使裂紋向巖石試樣深部擴展,而直接在節(jié)理處被阻隔,同時裂紋會在節(jié)理面中產(chǎn)生,進(jìn)而造成裂紋的縱向長度相對較小,如圖6(e),(m)所示。在圖6(e)中隨著盤形滾刀侵入巖石試樣,在滾刀下面形成密實核,產(chǎn)生微裂紋,滾刀繼續(xù)侵入,密實核逐漸增大,進(jìn)而產(chǎn)生主裂紋,主裂紋隨著滾刀的侵入不斷向巖石試樣內(nèi)部擴展,直到節(jié)理面附近后,裂紋不再向下擴展而是在節(jié)理面附近擴展,這說明該節(jié)理阻隔了裂紋的擴展。結(jié)合表3可知,當(dāng)在低、中圍壓且節(jié)理傾角在0°附近,節(jié)理間距小于60 mm時,盤形滾刀破巖時的破碎模式主要為①。②節(jié)理傾向破碎模式。該破碎模式是指巖石在破碎過程中,主裂紋的擴展基本上是沿著節(jié)理方向延伸的,最后與滾刀下產(chǎn)生的主裂紋或者與自由面匯合,從而形成破碎塊且宏觀上表現(xiàn)為裂紋長度較長,如圖6(b),(c),(n),(o)所示。在圖6(o)中隨著滾刀侵入巖石試樣,滾刀下方會形成裂紋,同時在節(jié)理面處也會產(chǎn)生裂紋。隨著滾刀繼續(xù)侵入,節(jié)理面的裂紋沿著節(jié)理方向不斷擴張,最終與主裂紋交匯同時節(jié)理面上的裂紋也達(dá)到了自由面。結(jié)合表3可知,當(dāng)在低圍壓且節(jié)理傾角在15°～90°,破碎模式主要為②。當(dāng)在中圍壓,節(jié)理傾角為30°附近時,盤形滾刀破巖的破碎模式也主要為②。③圍壓阻隔破碎模式。該破碎模式是指當(dāng)圍壓值較大時,會阻礙裂紋向巖石試樣內(nèi)部負(fù)y方向擴展而傾向于自由面延伸,進(jìn)而使宏觀裂紋的長度相對較短,破碎塊也較小,如圖6(q),(t),(u),(w)所示。在圖6(q)中隨著滾刀侵入巖石試樣,滾刀下方形成裂紋,隨著滾刀的侵入,裂紋繼續(xù)擴展,但由于圍壓的作用,裂紋的擴展方向不是向巖石試樣內(nèi)部負(fù)y方向而是傾向于自由面,最終形成破碎塊。結(jié)合表3可知,當(dāng)在高圍壓,節(jié)理傾角不在30°附近時,盤形滾刀破巖的破碎模式主要為③。④圍壓促進(jìn)破碎模式。該破碎模式是指當(dāng)在高圍壓且節(jié)理間距較小,在對應(yīng)某一個節(jié)理傾角時,滾刀破巖過程中會形成大規(guī)模的巖石破壞,從而形成大量的破碎塊,如圖6(j)所示。在圖6(j)中,由于高圍壓的作用,且節(jié)理間距為40 mm,節(jié)理傾角為30°,一部分節(jié)理面內(nèi)會產(chǎn)生細(xì)小的微裂紋。隨著滾刀侵入巖石試樣,滾刀下方形成裂紋,滾刀繼續(xù)侵入巖石試樣,在滾刀和圍壓的綜合作用下,節(jié)理面內(nèi)產(chǎn)生大量的裂紋并且在巖石試樣內(nèi)部相互交匯,最終形成大量破碎塊,造成大規(guī)模的巖石破壞。這種破壞模式類似于巖爆,而巖爆主要是在破巖過程中,由于高地應(yīng)力、節(jié)理以及裂隙等作用的影響下發(fā)生的[17]。結(jié)合表3可知,當(dāng)在高圍壓下節(jié)理間距小于60 mm,且節(jié)理傾角在30°附近時,破壞模式為④。值得注意的是有的巖石試樣破碎情況是由2種破碎模式構(gòu)成的,如圖6(v)所示破碎模式則是由②,③兩種破碎模式構(gòu)成。

2.2 比能耗

比能耗是破巖效率的重要指標(biāo)之一,比能耗越大說明盤形滾刀破巖的效率越低。從表3可知,隨著圍壓、節(jié)理間距、節(jié)理傾角的不同,各自的破巖比能耗都發(fā)生著一定程度的改變。通過表3可得到同一圍壓下,不同節(jié)理間距、節(jié)理傾角和滾刀破巖比能耗的關(guān)系,如圖7所示。

圖7 比能耗與節(jié)理特性的關(guān)系Fig.7 Relationship between specific energy and joints characteristics

觀察圖7中的各個子圖可知,在不同圍壓、節(jié)理間距的情況下,比能耗隨著節(jié)理傾角的增大先減小然后增大,且在30°時取得最小。如圖7(a)中,當(dāng)節(jié)理間距為40 mm,節(jié)理傾角從0°持續(xù)增到30°時,比能耗減小到6.4 MJ/m3,隨后節(jié)理傾角繼續(xù)增大,而比能耗增大,當(dāng)節(jié)理傾角增到90°時,比能耗增大到7.9 MJ/m3。另外從圖7中可知,在相同的圍壓和節(jié)理傾角時,比能耗隨著節(jié)理間距的增加而增大。如圖7(b)中,當(dāng)圍壓為25 MPa、節(jié)理間距為40 mm對應(yīng)的比能耗隨著節(jié)理傾角的變化始終大于節(jié)理間距為60 mm時所對應(yīng)的比能耗。觀察圖7(c)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)圍壓在50MPa時且節(jié)理間距為40和60 mm,節(jié)理傾角為30°時,此時的破巖比能耗相對其他情況下的比能耗非常小,只有0.4和0.5 MJ/m3,為其他情況比能耗的5%左右。造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于當(dāng)在高圍壓,節(jié)理傾角在30°附近,且節(jié)理間距小于60 mm時,巖石試樣在高圍壓下節(jié)理內(nèi)有少許微裂紋,由于滾刀和高圍壓的綜合作用,巖石試樣內(nèi)部形成大量的裂紋并且交匯,從而形成大量的破碎塊,此時的破碎模式為圍壓促進(jìn)破碎模式,比能耗極低,進(jìn)而比破巖效率相對很高。為了進(jìn)一步研究圍壓對破巖比能耗的影響,通過表3可得圖8。

圖8 比能耗與圍壓的關(guān)系Fig.8 Relationship between specific energy and confining pressure

觀察圖8可知,無論何種圍壓,比能耗隨著節(jié)理傾角的增加先減小后增加,且在30°時比能耗最小。在相同的節(jié)理傾角下,圍壓為25 MPa時對應(yīng)的比能耗均大于圍壓為1 MPa時對應(yīng)的比能耗,說明無論何種節(jié)理傾角,圍壓從1 MPa增加到25 MPa時,破巖比能耗增加了。而當(dāng)圍壓從25 MPa增加到50 MPa時,只有當(dāng)節(jié)理傾角為0°,90°時,比能耗增加,而節(jié)理傾角為15°,30°,45°,60°,75°時,破巖比能耗減小了。如圖8(a)中,當(dāng)節(jié)理間距為40 mm,節(jié)理傾角為0°且圍壓為25 MPa時,比能耗為9.5 MJ/m3,而當(dāng)圍壓增大到50 MPa,比能耗增大到了11.4 MJ/m3。而節(jié)理傾角為60°且圍壓為25 MPa時,比能耗為8.8 MJ/m3,當(dāng)圍壓增大到50 MPa,比能耗反而減小到了8.2 MJ/m3。造成這種現(xiàn)象的原因是因為當(dāng)圍壓從1 MPa增加到25 MPa時,圍壓的增加會將巖石試樣壓實,試樣更加緊密,裂紋不易擴展,即不利于破巖,所以比能耗相對較高。當(dāng)圍壓從25 MPa增加到50 MPa,節(jié)理傾角在0°,90°附近時,圍壓的增加同樣會將巖石試樣壓實,裂紋不易擴展,進(jìn)而比能耗增加,而當(dāng)節(jié)理傾角在15°～75°,圍壓增大到50 MPa時,由于節(jié)理存在較大的節(jié)理傾向,巖石試樣會被“過度壓實”,進(jìn)而在節(jié)理面上會產(chǎn)生少許微裂紋,反而有利于破巖,使得比能耗變小。通過上述分析可知,當(dāng)圍壓和節(jié)理間距一定時,破巖比能耗隨著節(jié)理傾角的增大,有先減小后增大的趨勢,且在30°附近時取得最小;當(dāng)圍壓和節(jié)理傾角一定時,破巖比能耗隨著節(jié)理間距的增大而增大;當(dāng)節(jié)理間距一定時,節(jié)理傾角在0°和90°附近時,破巖比能耗隨著圍壓的增大而增大。而當(dāng)節(jié)理傾角為15°～75°時,破巖比能耗隨圍壓由1 MPa增加到25 MPa時而增大,隨25 MPa增加到50 MPa時而減小。尤其值得注意的是,當(dāng)圍壓為50 MPa,節(jié)理間距小到一定程度(60 mm附近)且節(jié)理傾角在合適的角度(30°附近)時,會發(fā)生圍壓促進(jìn)破碎模式,比能耗極低。

2.3 裂紋數(shù)目

盤形滾刀破巖過程中,隨著滾刀侵入巖石試樣,在巖石試樣內(nèi)會產(chǎn)生微裂紋,通過PFC2D的his命令,可以得到裂紋數(shù)目的情況,裂紋的數(shù)目能在一定程度上說明巖石試樣的破壞情況。由表3可得同一圍壓下,不同節(jié)理間距、節(jié)理傾角和裂紋數(shù)的關(guān)系,如圖9所示。

圖9 裂紋數(shù)目與節(jié)理特性的關(guān)系Fig.9 Relationship between the number of crack and joints characteristics

從圖9可知在相同的圍壓下,無論何種節(jié)理間距,裂紋數(shù)目基本上都隨著節(jié)理傾角的增大先增多后減少,且在30°時取得最大值。如圖9(b)中,此時圍壓為25 MPa,當(dāng)節(jié)理間距為40 mm時,節(jié)理傾角從0°逐漸增加到30°時,裂紋數(shù)目逐漸增加,從30°逐漸增加到90°時,裂紋數(shù)目逐漸減少。但值得注意的是圖9(a)中節(jié)理間距為40 mm時,裂紋數(shù)目有個先下降的過程。造成這種現(xiàn)象的原因可能是因為節(jié)理間距較小且圍壓也很小,滾刀破巖時,在第1個節(jié)理面內(nèi)容易迅速產(chǎn)生大量裂紋,進(jìn)而此時在0°附近對應(yīng)的裂紋數(shù)反而較多。繼續(xù)觀察可知隨著節(jié)理間距的增加,裂紋數(shù)目會減少。如圖9(b)中,在相同的節(jié)理傾角下,節(jié)理間距為40 mm對應(yīng)的裂紋數(shù)均大于節(jié)理間距為60 mm對應(yīng)的裂紋數(shù),節(jié)理間距為60 mm對應(yīng)的裂紋數(shù)均大于節(jié)理間距為80 mm對應(yīng)的裂紋數(shù)。為研究圍壓對裂紋數(shù)目的影響,通過表3可得圖10。

圖10 裂紋數(shù)目與圍壓的關(guān)系Fig.10 Relationship between the number of crack and confining pressure

從圖10可知,當(dāng)圍壓從1 MPa增加到25 MPa時,裂紋數(shù)目都隨之減少。如圖10(c)中所示,在相同的節(jié)理傾角下,圍壓為1 MPa對應(yīng)的裂紋數(shù)均多于圍壓為25 MPa對應(yīng)的裂紋數(shù)。而當(dāng)圍壓從25 MPa增加到50 MPa時,發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)節(jié)理傾角為0°,90°時,裂紋數(shù)目減少,而節(jié)理傾角為15°,30°, 45°,60°,75°時,裂紋數(shù)目反而增多,且在節(jié)理間距小于或等于60 mm,節(jié)理傾角為30°時裂紋數(shù)目陡增。造成這種原因是因為當(dāng)圍壓增大到一定程度后,且節(jié)理傾角合適,會在巖石試樣節(jié)理面內(nèi)形成大量裂紋,所以圍壓過大不但不會抑制裂紋的增長,反而會促進(jìn)裂紋的增加,這和圍壓促進(jìn)破碎模式有著直接的聯(lián)系。通過上述分析可知,當(dāng)圍壓和節(jié)理間距一定時,裂紋數(shù)目基本上都隨著節(jié)理傾角的增大,有先增多然后減少的趨勢,且在30°附近時取得最大值;當(dāng)圍壓和節(jié)理傾角一定時,裂紋數(shù)目隨著節(jié)理間距的增大而減少;當(dāng)節(jié)理間距一定時,節(jié)理傾角在0°,90°附近時,裂紋數(shù)目隨著圍壓的增大而減少。而當(dāng)節(jié)理傾角為15°～75°時,裂紋數(shù)目隨圍壓由1 MPa增加到25 MPa時而減少,隨25 MPa增加到50 MPa時而增多。另外,當(dāng)圍壓為50 MPa時,節(jié)理間距小到一定程度且節(jié)理傾角在合適的角度時,裂紋數(shù)目會陡增。

2.4 破碎模式、比能耗和裂紋數(shù)目之間的關(guān)聯(lián)

通過上述分析可知,破碎模式、比能耗和裂紋數(shù)目之間隨著圍壓、節(jié)理間距和節(jié)理傾角的變化有著一定的關(guān)聯(lián)。通過表3可知,破碎模式①和破碎模式③下比能耗較大且裂紋數(shù)目較少,而破碎模式②和破碎模式④下的比能耗較小且裂紋數(shù)目較多。尤其是破碎模式④,該破碎模式是在圍壓相當(dāng)高,且節(jié)理間距小到一定程度以及節(jié)理傾角合適時才會發(fā)生,這種破碎模式比能耗極小,裂紋數(shù)目極多,此時破巖效率也最大。對比圖7和圖9以及圖8和圖10可知,比能耗和裂紋數(shù)目隨著圍壓、節(jié)理間距以及節(jié)理傾角的改變,兩者變化趨基本相反。如圖7(b)中,此時圍壓為25 MPa,3種不同的節(jié)理間距下,比能耗隨著節(jié)理傾角的增加先減小后增加,且在30°時取的最小值,節(jié)理間距為40 mm對應(yīng)的比能耗最小,而圖9(b)中,圍壓也為25 MPa,3種不同的節(jié)理間距下,裂紋數(shù)目隨著節(jié)理傾角的增加先增多后減少,且在30°時取得最大值,節(jié)理間距為40 mm對應(yīng)的裂紋數(shù)最多。通過上述分析可知,破碎模式為②和④兩種情況下破巖比能耗較小即破巖效率較高,破碎模式為①和③兩種情況下破巖比能耗較大即破巖效率較低。破巖比能耗和裂紋數(shù)目兩者的變化趨勢相反,兩者關(guān)系密切。

3 結(jié) 論

(1)盤形滾刀破巖時,隨著圍壓、節(jié)理間距以及節(jié)理傾角的變化,會呈現(xiàn)4種破碎模式。其中當(dāng)在低、中圍壓且節(jié)理間距小于60 mm以及節(jié)理傾角在0°附近時,破碎模式主要為①,該破碎模式下節(jié)理阻隔了裂紋向巖石試樣深部擴展。當(dāng)在低圍壓節(jié)理傾角在15°～90°時,破碎模式主要為②,該破碎模式下裂紋主要在節(jié)理方向延伸,最后和滾刀下的裂紋或者自由面匯合。當(dāng)在高圍壓,節(jié)理傾角不在30°附近時,破碎模式主要為③,該破碎模式下圍壓阻隔了裂紋向巖石試樣內(nèi)部擴展。當(dāng)在高圍壓下節(jié)理間距小于60 mm,且節(jié)理傾角在30°附近時,破碎模式為④,該破碎模式下高圍壓促進(jìn)了裂紋的產(chǎn)生,造成大規(guī)模的巖石破壞。

(2)盤形滾刀破巖時,當(dāng)圍壓和節(jié)理間距一定時,破巖比能耗隨著節(jié)理傾角的增大,呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,且節(jié)理傾角在30°時取得最小;當(dāng)圍壓和節(jié)理傾角一定時,破巖比能耗隨著節(jié)理間距的增大而增大;當(dāng)節(jié)理間距一定時,節(jié)理傾角在0°,90°附近時,破巖比能耗隨著圍壓的增大而增大。而當(dāng)節(jié)理傾角在15°～75°時,比能耗隨圍壓由1 MPa增加到25 MPa時而增大,由25 MPa增加到50 MPa時而減小。當(dāng)圍壓為50 MPa,節(jié)理間距小到一定程度且節(jié)理傾角在合適的角度時,會發(fā)生圍壓促進(jìn)破碎模式,類似于巖爆,比能耗極低。

(3)盤形滾刀破巖時,比能耗和裂紋數(shù)目隨著圍壓、節(jié)理間距以及節(jié)理傾角的改變,兩者變化趨勢相反。破碎模式、比能耗和裂紋數(shù)目三者之間有著密切的關(guān)系,破碎模式①和③對應(yīng)著較高的比能耗和較少的裂紋數(shù),破碎模式②和④對應(yīng)著較小的比能耗和較多的裂紋數(shù)。

(4)模型中,假定巖石試樣中只存在一組節(jié)理且?guī)r石試樣的尺寸是恒定的,另外將盤形滾刀破巖簡化為剛性墻體的貫入且盤形滾刀的貫入速度恒定,而上述假設(shè)和真實破巖情況有一定的差異,這種差異對盤形滾刀破巖的影響程度有待進(jìn)一步研究。

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Num erical study on breaking rock by disc cutter at different confining pressure and joint characteristics case

TAN Qing1,2,ZHANG Xu-hui1,2,XIA Yi-min1,2,ZHU Yi1,2,YINian-en1,2,ZHANG Jia3

(1.College ofMechanical and Electrical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China;2.State Key Laboratory ofHigh Performance Complex Manufacturing,Changsha 410083,China;3.College ofMechanical Engineering,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)

In order to study the effects of confining pressure and joint characteristics on breaking rock by disc cutter, the rock-breakingmodel at different confining pressure,joint characteristics case was established by using the particle discrete elementmethod and was performed simultaneously.Crushingmode,specific energy and number of cracks was analyzed at different confining pressure,joint characteristics case.The results show that when the disc cutter breaks rock,there exist four crushing modes as the confining pressure,joint spacing and joint angle changes.Among these crushingmode,the crushingmode of confining-pressure-promoting occurswhen the confining pressure is50 MPa,joint spacing is less than 60 mm and joint angle is near30°.At the same time,thismode is similar to rock burst and has low specific energy in breaking rock;When the confining pressure and joint spacing is constant,the specific energy decreases and then increaseswith the increase of joint angle.It reaches aminimum when the joint angle is 30°;When theconfining pressure and joint angle is constant,the specific energy increaseswith the increase of joint spacing;When the joint spacing is constantand the joint angle is near 0°or90°,the specific energy increaseswith the increase of confining pressure.However,when the jointangle ranges in 15°-75°,the specific energy increaseswith the increase of confining pressure from 1 MPa to 25 MPa and decrease with the increase of confining pressure from 25 MPa to 50 MPa; In addition,crushingmode,specific energy and number of cracks has close relationship.The trend of changing is opposite between the specific energy and the number of crackswhen confining pressure and joint characteristics change.Key words:disc cutter;confining pressure;joint spacing;jointangle;crushingmode;specific energy;number of cracks

TP391.9;U455.3

A

0253-9993(2014)07-1220-09

譚 青,張旭輝,夏毅敏,等.不同圍壓與節(jié)理特征下盤形滾刀破巖數(shù)值研究[J].煤炭學(xué)報,2014,39(7):1220-1228.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1060

Tan Qing,Zhang Xuhui,Xia Yimin,et al.Numerical study on breaking rock by disc cutter at different confining pressure and joint characteristics case[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1220-1228.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1060

2013-07-30 責(zé)任編輯:王婉潔

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2013CB035401);國家自然科學(xué)基金資助項目(51274252,51074180)

譚 青(1955—),男,湖南長沙人,教授,博士。E-mail:jds-share@163.com。通訊作者:易念恩(1976—),男,湖南長沙人,博士。E-mail:cocacor@sina.com