崔雅楠

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046100）

引言

掘進(jìn)機(jī)是進(jìn)行礦山開采及隧道施工的重要設(shè)備，采用掘進(jìn)機(jī)可以大幅提高掘進(jìn)效率，并且具有安全、利于環(huán)境保護(hù)的特點。全斷面的掘進(jìn)機(jī)采用盤形滾刀的形式，通過將刀具擠壓到巖層上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)巖層的破碎，在進(jìn)行作業(yè)的過程中，圍巖的不同對于盤形滾刀的破碎程度具有重要的影響。在軟巖層、破碎帶、斷層等不同的圍巖狀態(tài)下，盤形滾刀所面臨的工況也各不相同，此時，應(yīng)依據(jù)不同的圍巖采取相應(yīng)的措施，保證掘進(jìn)的效率[1]。為進(jìn)一步明確圍巖對盤形滾刀的影響作用，針對不同的圍巖因素對盤形滾刀的破碎效果進(jìn)行分析，從而為完善掘進(jìn)機(jī)的刀具提供參考。

1 盤形滾刀掘進(jìn)數(shù)值模型的建立

盤形滾刀是進(jìn)行掘進(jìn)破碎的主要工具，對于較軟的地層，常采用雙刃盤形滾刀進(jìn)行作業(yè)，而較為堅硬的地層，常采用單刃盤形滾刀。巖層的破碎主要分為三種不同的理論：一種是由于楔塊作用引起的剪切破壞；二是由楔塊作用產(chǎn)生的徑向裂縫的延展造成延時的表面破壞引起的破碎；三是由于盤形滾刀的擠壓造成巖層的剪切、擠壓及張拉破壞的綜合作用[2]。巖層主要的特性表現(xiàn)為非均勻性，強(qiáng)度具有一定的離散性，盤形滾刀在掘進(jìn)過程中不是采用切割的方式，而是依靠液壓油缸的推力擠壓到巖石面上，在刀具旋轉(zhuǎn)的過程中，將刀尖推入到巖石中進(jìn)行巖石的破碎[3]。

單刃盤形滾刀的破碎過程認(rèn)為是在單刃刀頭作用于巖石后，刀頭下的巖層首先被壓碎，形成巖粉，隨著載荷的增加，刀頭下的破壞巖石繼續(xù)擠壓形成粉核體，并儲存有一定的能量，當(dāng)能量積聚到一定的程度后，粉核體的能量發(fā)生釋放，并在其周邊形成初始的裂縫源。荷載的增加，使得初始的裂縫源逐漸擴(kuò)展，一部分向著深向擴(kuò)展形成徑向的裂縫，另一部分向著兩側(cè)擴(kuò)展，形成側(cè)向的裂縫，當(dāng)測量裂縫發(fā)展到自由表面時，形成碎塊體脫落，造成巖層的破碎，即完成破巖的過程[4]。對掘進(jìn)過程進(jìn)行分析，首先建立盤形滾刀及巖石的模型，將盤形滾刀破碎巖石的模型經(jīng)過簡化建模如圖1 所示，采用常用的平刃滾刀進(jìn)行模擬分析，巖層材料采用粉砂巖，設(shè)定單元尺寸為1 mm 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由此進(jìn)行掘進(jìn)過程的仿真運算。

圖1 盤形滾刀掘進(jìn)數(shù)值模型

2 盤形滾刀破巖因素的仿真分析

2.1 巖層圍壓的影響作用分析

巖層的應(yīng)力狀態(tài)對于巖石的穩(wěn)定性具有重要的影響，應(yīng)力狀態(tài)對巖石的破壞規(guī)律具有一定的影響。巖層的圍壓影響巖石的應(yīng)力狀態(tài)。在不同的圍壓下對破碎過程進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示在沒有圍壓時，巖層在盤形滾刀的擠壓下出現(xiàn)裂縫，由于沒有圍壓的限制，出現(xiàn)縱向的裂紋并貫穿巖石，將巖石破碎[5]；下頁圖2 中所示為在圍壓為20 MPa 時的巖層破碎情況，此時巖層的破碎效率較高，徑向的裂紋較少，裂紋向自由面擴(kuò)展，較易于形成大塊的碎巖。當(dāng)巖層圍壓繼續(xù)增加時，則會破壞巖石的自身結(jié)構(gòu)，不利于掘進(jìn)過程的進(jìn)行。下頁圖3 中所示為在不同的圍壓下，側(cè)向裂紋的破碎單元在總的破碎單元中的占比，通過圖3 可以看出，在較低的圍壓時，隨著圍壓的增加，側(cè)向的裂紋占比增加顯著，但在圍壓達(dá)到一定數(shù)值后，側(cè)向裂紋的占比變化不大[6]。

圖2 圍壓壓力20 MPa 時的破壞形式

圖3 側(cè)向裂紋的占比隨圍巖壓力的變化曲線圖

2.2 巖層強(qiáng)度的影響作用分析

巖層由各種不同的礦物質(zhì)組成，導(dǎo)致巖層的強(qiáng)度變化，并且隨著組成成分的不同，巖層呈現(xiàn)的性質(zhì)也不同。在進(jìn)行掘進(jìn)的過程中，不同的地質(zhì)條件可以簡略地分為軟巖、中巖及硬巖三種，分析不同強(qiáng)度下盤形滾刀的破碎效果。設(shè)定三種不同的巖層的參數(shù)如表1 所示，由此進(jìn)行巖層的破碎分析。

表1 三組不同的巖層強(qiáng)度參數(shù)

通過仿真分析顯示，隨著巖層強(qiáng)度參數(shù)的變化，在相同的掘進(jìn)條件下，裂紋的破碎量逐漸減少，裂紋的形成和擴(kuò)展較慢，對巖石破碎作用較大的側(cè)向裂紋的數(shù)量逐漸減少。不同強(qiáng)度的巖層在相同的掘進(jìn)條件下的加載步曲線變化如圖4 所示，圖中1、2、3分別代表軟巖層、中巖層及硬巖層。從圖4 中可以看出，軟巖層的破壞主要發(fā)生在載荷較低時，中巖層的破壞載荷相對較大，而硬巖層破碎的載荷最大。在進(jìn)行巖層破碎的過程中，載荷的數(shù)值不斷呈現(xiàn)上下變化，不斷進(jìn)行重復(fù)的加載和卸載過程實現(xiàn)巖層的破碎。

圖4 不同巖層強(qiáng)度的載荷-加載步曲線變化

3 結(jié)語

全斷面掘進(jìn)是進(jìn)行礦山開采、隧道施工的重要設(shè)備，可以進(jìn)行快速高效的地下掘進(jìn)。盤形滾刀作為掘進(jìn)機(jī)破巖的主要工具，其破碎的效率對于掘進(jìn)機(jī)的施工效率具有直接的影響。在地下掘進(jìn)的過程中，圍巖的性質(zhì)不同，對于掘進(jìn)的效率具有重要的影響。針對掘進(jìn)過程中，圍巖的不同造成的掘進(jìn)效果的不同進(jìn)行分析。掘進(jìn)巖層的圍壓及強(qiáng)度對盤形滾刀的掘進(jìn)效率及載荷具有重要的影響。采用仿真分析的方式對不同的圍壓及強(qiáng)度進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在較低的圍壓時，隨著圍壓的增加，側(cè)向的裂紋占比增加顯著，但在圍壓達(dá)到一定數(shù)值后，側(cè)向裂紋的占比變化不大；圍巖的強(qiáng)度越大，進(jìn)行破碎所需要的載荷越大。在進(jìn)行巖層的掘進(jìn)時，應(yīng)依據(jù)巖層的性質(zhì)不同，合理選擇掘進(jìn)的工具及參數(shù)，提高掘進(jìn)的效率。