岩石掘进机盘形滚刀破岩曲线的表示方法及应用

给出了岩石掘进机盘形滚刀破岩曲线的概念,并进行了定量描述,可为深入认识盘形滚刀的破岩状况及进行盘形滚刀的寿命预测提供理论参考。     

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。     

锥面刀盘上盘形滚刀破岩曲线的确定及应用

锥面刀盘是全断面岩石掘进机所用的刀盘形式之一。刀盘形式对其上的破岩刀具的破岩工作状况有一定影响,这可通过对其上的盘形滚刀破岩刃的运动轨迹反映出来。通过对锥面刀盘上盘形滚刀工作状况的分析,建立锥面刀盘上盘形滚刀的运动模型,进而给出其破岩工作刃上破岩点的轨迹曲线,从而分析其工作破岩点的侧滑、轨迹曲线长度及破岩时任意点的运动速度,这不仅是了解锥面刀盘上盘形滚刀破岩石机理的基础,也是全断面岩石掘进机刀盘的选形设计所必需的基础理论。1破岩曲线的确定锥面刀盘上盘形滚刀的工作示意图见图1。设A'为盘形滚刀破岩工作刃上…     

贯入度对TBM滚刀破岩轨迹偏移影响的试验研究

滚刀破岩轨迹偏移影响因素是TBM刀盘结构和刀具布置设计,以及掘进机位姿自动调整的重要的基础研究内容,贯入度则是影响滚刀偏移的一个重要因素。在全断面掘进机国家重点实验室研制的"刀具破岩与耐磨研究试验台"进行滚刀破岩试验基础上,对滚刀轨迹偏移距离进行数据检测、分析和处理,得到了贯入度对滚刀垂直偏移和横向偏移的影响规律。     

高压水射流破岩能量耗散与释放机制

从应力-应变角度建立的高压水射流破岩准则,其精确度取决于对屈服应力的表述,由于表达式中不含材料参数,不能精确计算高压水射流破岩参数,而从能量角度建立的岩石强度理论具有更好的适用性和准确性。开展了基于能量耗散和释放机制的高压水射流破岩机理,理论研究了自由射流段速度分布特征,分别计算了等速核区和射流边界层扩展区动能,建立了不同靶距处射流动能计算模型。高压水射流冲击破岩能量表征为冲蚀坑的形成和岩体的体积破坏;射流能量耗散于剪切面的扩展和滑动,储存弹性势能的释放导致岩体的整体体积破坏。根据岩石的统一能量屈服准则,建立了高压水射流破岩能量准则。通过砂岩、灰岩和花岗岩的单轴压缩应力-应变曲线得出3种岩石的材料参数,计算每种岩石的剪切应变能和体积应变能,得出射流破岩临界速度。根据高压水射流冲击破岩实验结果修正了考虑喷嘴流量系数的高压水射流破岩能量准则,该准则能够较为精确的计算射流破岩速度。且岩体的破坏形态证明从能量角度研究破岩机理更为适合。     

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。     

黑破岩巷道掘进支护方案研究

针对某矿山掘进过程中遇到的黑破岩围岩结构不稳固、容易垮落的问题,结合现场实际提出了合理的支护方案,并利用数值模拟软件Phase2对不同时间垮塌的巷道支护方案进行了模拟分析。研究结果显示,巷道采用锚网喷支护及C20砼支护时比不支护的围岩位移小,塑性区范围也小,距离巷道相同位置处的围岩强度系数得到了提高;基于支护成本及支护效果的双重因素考虑,推荐矿山在巷道掘进中采用锚网喷支护。     

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。     

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。     

硬岩掘进掏槽方式及参数优化研究及应用

为了提高渝阳煤矿硬岩掘进速度,保障施工安全,文章根据硬岩巷道围岩特性,对硬岩掘进掏槽方式及参数进行优化,即在楔形掏槽眼中间增加一组辅助掏槽眼,以扩大掏槽眼自由面,减小抵抗线。结果表明,优化后的掏槽方式及参数不仅提高了掘进循环进尺,而且降低了每米巷道材料消耗,取得了比较好的效果。     

浅谈硬岩条件下竖井爆破掘进技术

竖井井筒施工时,当岩石普氏系数f≥14,就存在钻眼时间长、爆破效果差、掘进速度慢等情况。如何在硬岩条件下高效爆破、快速掘进施工,对缩短井筒施工工期,保证整个矿山的顺利建设意义重大,本文总结的竖井爆破掘进技术,可在类似地层井筒施工中推广应用。     

煤矿反井钻机滚刀破岩模拟试验台设计研究

为研究滚刀破岩机理和岩石可钻性与滚刀破岩的效果,研制了煤矿反井钻机滚刀破岩模拟试验台.该试验台能够实现滚刀直线方向运动下破岩过程的模拟,研究滚刀刀齿截距、法向压力、滚刀运转速度以及不同类型、型号的滚刀对破岩效果的影响.滚刀破岩模拟试验台采用液压伺服系统,可根据程序以及预先设置好的数据自动调整试验参数;利用高速摄像机拍摄滚刀破岩过程的具体细节;通过岩渣筛分得到岩石破碎过程中实际消耗的能量值,实现试验过程的可视化和智能化.试验运行证明,该机符合进行反井钻机滚刀破岩试验的要求.     

复杂线路条件下盾构下穿民房掘进参数优化研究

以天津地铁三号线水上北路站~吴家窑站盾构区间左线线路为研究背景,以盾构施工控制技术为研究方向,通过试验段掘进、现场数据监测分析、计算模拟分析、盾构施工参数选取、实际监测数据分析等,研究了在复杂线路条件下(变坡度,小曲线半径等),盾构机掘进的参数优化。以试验段的跟踪监测调整数据为分析依据,着力主要控制参数,对掘进参数的选取采用理论计算结合实际监测的方法,论证参数的可适用性。研究结果表明:采用合理的掘进参数,能有效控制盾构机在复杂线路条件下下穿建筑物时的沉降。     

激光破岩机理及其影响因素分析

激光破岩是一种新型非接触式物理破岩方法,其破岩速度远高于传统的高压水射流辅助机械破岩方法。介绍了激光破岩的相关概念,详细地分析了激光破岩的物理过程及破岩机理,论证了岩石热破碎是效率最高的破岩方式,并介绍了激光与岩石相互作用过程中岩石内部的温度与应力的分布。最后,结合岩石和激光的性质,解释了岩石物理性质(热导率、裂缝、矿物组成和胶结强度)和激光特性(射束直径、平均功率、辐射时间和激光波长)对激光破岩的影响。     

新型硬及极硬岩石反井镶齿盘型破岩滚刀的研究

对新型硬及极硬岩石反井镶齿盘型破岩滚刀的总体设计方案、CrMnMo空冷耐磨钢调质处理以及力学性能、镶嵌固齿和过盈量的确定等滚刀设计关键技术,进行了分析、试验和研究,并取得了相应的结论。     

复杂地质条件下掘进巷道支护参数优化研究及应用

针对韩家洼煤矿22205轨道顺槽掘进过复杂地质构造区域时巷道围岩变形大、支护困难的问题,提出采用“超前钢管临时支护+预应力长短锚索”的联合支护技术。现场实践结果表明:采用优化支护方案后,复杂地质条件下掘进巷道围岩变形明显减小,变形速度也得到了有效控制,确保了矿井安全高效生产。     

综采工作面覆岩破断规律试验及高位钻孔参数优化

根据祁东煤矿6135工作面开采工程条件,运用相似材料模拟实验方法,对上覆岩层随工作面推进时的破断规律进行研究,结合经验公式和相似模拟结果综合判定了工作面上覆岩层垮落带高度范围为0~7.1 m,断裂带高度范围为7.1~30.1 m;采用FLAC3D数值模拟软件模拟得出覆岩裂隙发育区角度范围,为优化高位钻孔布置参数提供了可靠的依据。     

液态二氧化碳相变破岩振动能量分布研究

采用Hilbert-Huang变换方法对地铁基坑开挖工程中液态二氧化碳相变破岩时引起的振动信号的频谱特征、能量分布进行了研究。结果表明, 液态二氧化碳相变破岩时引起质点振动的频率主要分布于0~100 Hz范围内, 能量主要集中于0~20 Hz, 且随距离增加能量逐渐向高频带集中分布; 一定距离条件下能量分布主频带内的垂向分量能量比例最高, 水平径向次之, 水平切向最小, 平均值占信号总能量的70%以上, 且随震源距增加逐步降低并趋于一致; 质点瞬时能量起伏与其振动幅值对应, 主要作用于0~0.5 s的时间段内。     

复合顶板条件下综采工作面覆岩破断及应力变化规律研究

针对山西晋能集团常顺煤矿9108工作面复合顶板稳定性控制的技术难题,通过采用理论分析、物理模拟及现场实测等研究方法,建立了工作面复合顶板覆岩破断分析的力学模型,理论分析了复合顶板条件下综采工作面顶板的破断规律以及矿压显现规律.理论分析结果表明:9108工作面复合顶板极限垮落步距为35.21 m,复合顶板周期来压步距为1...     

截齿顺次破岩机制的细观数值模拟及截线间距优化研究

为优化镐型截齿在截割头上的布置以提高掘进机截割效率, 借助PFC^3D颗粒离散元数值模拟软件构建了两把截齿顺次截割岩石的三维模型, 对不同截割深度和截线间距组合工况进行了模拟试验, 分析了镐型截齿顺次破岩机制和最优截线间距与截割深度的比值(s/h)。结果表明, 岩石在截齿作用下的破坏模式以张拉破坏占主导, 并伴随挤压和剪切的综合破坏; 截齿顺次截割时, 两相邻截齿之间存在明显的协同作用, 前刀在岩石内残留的裂纹使得岩石易于截割, 可以提高后刀的截割效率; 在模拟试验范围内, 随着s/h值增加, 比能耗呈先减小再增加的变化规律, 模拟结果表明最优s/h值约为3。该研究可为掘进机截割头排布设计提供参考依据。