低压磨料空气射流破硬岩规律及特征实验研究

针对坚硬围岩巷道和隧道的掘进效率低、钻具损耗快等问题,提出低压磨料空气射流辅助破硬岩技术思路。采用Fluent-EDEM数值分析不同压力条件空气射流流场结构和磨料加速机制,确定影响磨料加速的关键因素。基于自行研制的磨料空气射流破煤岩系统,研究射流压力、磨料质量流量和冲蚀时间对冲蚀破碎花岗岩效果的影响规律,明确提高破岩效率的关键因素。采用扫描电镜对花岗岩冲蚀坑进行了形貌分析,揭示低压磨料空气射流破硬岩机制。形成了以下主要结论：在压力2 MPa时,射流可达543 m/s,能够将磨料加速至130 m/s,具备冲蚀破坏硬岩的能力。增大气固两相速度差,提高颗粒所受曳力和虚拟质量力是提高磨料速度的关键。相比于提高压力,提高磨料质量流量和冲蚀时间更能提升破岩效率。入射磨料主要以冲击应力波和反复塑性变形使岩石表面产生裂纹和唇状边缘冲蚀坑,反射磨料以剪应力的形式使冲蚀坑壁面产生微裂纹,形成片状断裂裂纹。低压磨料空气射流破岩机制与高压条件下相同,从理论上验证了低压磨料空气射流破硬岩的可行性。     

岩巷掘进准直眼掏槽爆破新技术应用实例分析

 为了提高岩巷掘进速度,克服直眼掏槽和斜眼掏槽的不足,根据岩石爆破理论,提出一种新的掏槽方法--准直眼掏槽方式。该掏槽方式突破传统掏槽设计,主掏槽眼稍微倾斜(准直眼),槽底炮孔间距较大,次掏槽眼垂直于自由面。与现有掏槽方式相比,该掏槽方式具有以下特点：准直眼孔底间距大,可杜绝穿孔现象;采用合理间隔时间进行分层分次爆破;中心辅助直眼与两侧对称的准直眼互相配合,结合直眼掏槽和斜眼掏槽各自的优点;形式简单,易操作;槽腔大,效率高,成本低。基于爆生气体的准静态理论和岩石力学的极限平衡理论,分析准直眼掏槽槽腔形成过程。为了优化准直眼掏槽参数,进行大量的现场掏槽试验,从而确定不同爆破条件下的准直眼掏槽炮孔的布置方式、深度、倾斜角度、间距、装药量和微差起爆间隔时间等技术参数。施工中采取以长度定角度的方法可满足该掏槽方式对准直眼角度的严格要求。实践表明,在煤矿岩巷掘进中使用准直眼掏槽方式,能够取得良好的爆破效果和显著的技术经济效益。     

基于CT方法的磨料射流冲蚀损伤岩石特性研究

 为了深入揭示磨料射流破岩机制,开展磨料射流冲蚀典型脆性岩石(硅质灰岩)实验,同时用CT扫描机对冲蚀后试件进行CT扫描,并利用图像处理技术对获得的CT图像进行二值化处理,直观反映磨料射流作用下岩石的破坏与损伤情况。结果表明：磨料射流破岩过程中除了能冲蚀去除岩石,于岩石内部形成由圆形截面与“V”形垂面构成的倒锥体冲蚀孔洞外,还会在孔壁致生大量小裂缝,对岩石产生一定的损伤作用,于冲蚀孔周边构造出一定范围的损伤区。通过实验测试手段直接验证了磨料射流冲蚀损伤岩石特性的存在,为深入揭示磨料射流破岩机制提供实验基础。     

钻孔高压磨料射流预制裂缝的试验研究

详细介绍了后混合式高压磨料水射流割缝实验系统的结构、工作原理和试验方法及方案。利用该系统对岩石进行割缝试验可得:(1)该系统可进行高效的、远距离的以及坚硬岩石的高压磨料水射流切割;(2)磨料类型、水泵压力、割缝速度以及磨料质量浓度等参数都会影响岩石预制裂缝的效果;(3)砂岩、石灰岩、花岗岩获得较好割缝效果的试验参数为:磨料类型分别为河沙、天然棕刚玉、石榴石,气泵压力0.4~0.5MPa,水泵压力60MPa,割缝速度40cm/min,磨料质量浓度2%。对钻孔磨料射流割缝的工业实施具有重要参考价值。     

煤矿软岩巷道掘进爆破振动特性研究

通过现场爆破振动、松动圈实测和分析,研究煤矿软岩巷道掘进爆破振动效应及其对巷道松动圈半径的影响。振动测试和小波分析结果表明：爆破振动速度3个方向的分量中水平径向最大、垂直方向最小,因此可将水平径向振动速度作为巷道掘进爆破振动的安全评判指标;爆破振动主振频率均＞100 Hz,爆破能量的80%左右都集中在100～150 Hz频带范围内,且存在2个明显的“子频带”。松动圈测试和分析表明：巷道稳定后的松动圈半径为1.8 m左右,其中爆破振动的影响约占10%。据此调整支护参数,增加锚杆长度,提高支护的安全可靠性。在此研究的基础上,从爆破参数和装药结构等方面提出降低煤矿软岩巷道爆破掘进爆破振动效应的措施。     

磨料射流破碎岩石的性能研究

磨料射流在切割破碎岩石时,将产生比纯水连续射流巨大的冲击力。从固液两相流特点出发,对高压磨料射流破碎岩石的机理进行了分析与实验研究。得出岩石在受到磨料射流的冲击下,磨粒与水体对岩石的冲击压力与岩石在水介质作用下力学特性的变化共同促使了岩石的破坏。岩石破坏时最大剪应力位于0．5倍喷嘴直径的径向距离处,同时在固体介质表面边缘产生最大拉应力。该研究从理论与实验上为磨料射流破碎岩石奠定了理论基础。     

深水下岩石切割的模拟试验研究

通过自行开发设计的一套深水环境条件模拟试验装置，进行一系列深水环境条件下磨料水射流切割岩石的试验研究。针对岩石切割深度的主要影响因素，分别进行一系列的靶距变化、切割次数变化、射流横移速度变化和不同水深的模拟试验，从而揭示在深水环境条件下岩石切割深度与各主要切割参数的关系和规律，以及水深对岩石切割深度的影响。在深水环境条件下岩石切割技术的生产实际应用中，要综合考虑切割次数和射流横移速度与效率的关系；岩石等材料的合理靶距是一个关键性技术问题，应控制在有效靶距范围内才具有实际意义。     

岩石隧道掘进机的施工预测模型

分析了岩石隧道掘进机的破岩机理,介绍了自上世纪70年代以来发展的一系列施工预测模型,包括单因素预测模型、综合预测模型(CSM模型和NTNU模型)、岩体分类预测模型(QTBM模型)、概率模型、模糊神经网络模型。单因素预测模型中包括的主要岩石材料参数有岩石单轴抗压强度、抗拉强度及岩石的总硬度;CSM模型主要是基于线性切割试验机岩石试验数据,其初始预测模型中包括岩石单轴抗压强度及抗拉强度;NTNU模型是一套完整的预测模型,包括掘进速度、进度预测、刀具的磨损预测及经济分析,在它的施工进度预测模型中,考虑到了岩石的可钻性、孔隙度及岩体节理的密度及方向;QTBM模型源自于Q系统,加入了一些与隧道掘进机及与掘进速度相关的参数;概率模型是基于一个庞大数据库的类比模拟模型;模糊神经网络模型是一种黑箱模型,克服了输入与输出之间的不确定性关系。     

基于调查问卷的岩巷炮掘速度影响因子分析

通过对煤矿巷道掘进巷道基本数据和掘进相关人员调查的分析,得到了岩巷的不同的参数对应的速度关系和普遍认为的影响岩巷快速掘进的主要因素和一般因素,深入研究了影响掘进速度的直接或间接原因,提取影响掘进速度的众多因子,构建出了岩巷掘进速度的影响因子体系。     

旋转射流破岩成孔规律研究

在前期对旋转射流结构特性及流动特性研究的基础上，利用试验的方法研究了射流压力、喷距、岩石的渗透率及强度、添加剂的浓度等因素对旋转射流破岩效率的影响。同时，研究了岩石渗透率对旋转射流和普通圆射流影响的区别。研究结果表明：在同喷距同射流压力条件下，破岩效果随着岩石强度的减小、岩石渗透率的增加而增加；相比而言，岩石的渗透率在射流的破碎效果中起着主要作用；在相同射流压力条件下随着添加剂浓度的增大，岩石的破碎深度、破碎直径和破碎体积都表现出增大后减小的变化趋势。本试验条件下的最优浓度为200－300mmp，随着渗透率的增大，旋转射流破岩成孔的效果明显优于普通圆射流的破岩成孔的效果。     

Disc cutting tests in Colorado Red Granite: Implications for TBM performance prediction

A series of full-scale laboratory disc cutting tests was conducted with a single disc cutter (432 mm diameter and a constant cross-section profile) and a single rock type (a coarse-grained red granite). Normal, rolling, and side forces were measured for a series of spacings and penetrations, from which other cutting parameters also were calculated. Although the increases of normal and rolling forces with increased spacing and penetration are as expected, the results illuminate additional aspects of performance prediction. Specific energy (SE) considerations indicate that a spacing of 76 mm is close to optimum in this hard, brittle crystalline rock. At this spacing, penetration has very little effect on SE. These results show why spacings near 76 mm are commonly found on tunnel boring machines operating in hard rock. The relationship of rolling force to normal force was close and consistent: A nearly linear rise of the ratio of rolling force to normal force with increased penetration, and, conversely, a nearly unchanged ratio with increases in spacing. The results tend to validate performance prediction methodologies based on normal force-penetration models.     

土压平衡盾构在上软下硬复合地层中的施工技术

上软下硬复合地层是盾构隧道中的不良地层之一。文章针对这类地层的主要特征,分析了土压平衡盾构机掘进通过时容易产生姿态上抬、刀具损坏、地面沉降、土仓结泥饼、卡螺旋机的风险,提出刀具配置和更换、掘进控制、预设换刀区几方面的对策,并列举了一些对掘进时异常情况的辨别和处理方法,可为类似工程提供参考。     

简单复合岩体中TBM多滚刀破岩机理离散元分析

采用引入考虑胶结尺寸的微观接触模型的PFC^2D离散元软件,对全断面岩石掘进机（TBM）盘形滚刀作用下简单形式的复合岩体破岩机理进行数值模拟研究。进行了单滚刀、双滚刀和三滚刀作用下的复合岩体破碎过程的模拟。模拟结果表明：滚刀破岩过程可以分为三个阶段：加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段。通过双滚刀和三滚刀侵入复合岩体的推力-侵深曲线分析,软岩上的滚刀比硬岩上的滚刀进入各阶段稍慢,略有滞后;不同滚刀间的峰值法向推力相差较大,易造成滚刀磨损。对于花岗岩-绿片岩复合岩体,破岩时接触力链被岩体分界面分割,硬岩区胶结破坏数目较多,双滚刀、三滚刀侵入时易形成贯通裂缝;破岩效率由大到小为双滚刀效率、三滚刀效率、单滚刀效率,而且双滚刀能够将效率提高一倍左右。     

A development in rock cutting technology

This paper describes a novel method of rock cutting — oscillating disc cutting (ODC) — in which the forces acting on the cutting tools, and hence on the excavation machine supporting these tools, are extremely low. Four different techniques are incorporated in the cutting method to achieve this result. The importance of this novel method is that it allows very strong and/or abrasive rock to be machined easily and rapidly without suffering the high rates of tool wear and/or tool failure that are experienced by conventional cutting machines operating in these types of rock. Also the fact that the ODC method requires very low machine reaction forces means that lightweight, and therefore manoeuvrable, mining and tunnelling machines can be employed in the excavation process. In the initial sections of this paper we discuss the physics of the process of rock breakage caused by mechanical cutting tools and the wear and failure mechanisms of these tools. The arguments are given in order to introduce the thinking behind the ODC method.     

动静载荷耦合作用下岩石破碎理论分析及试验研究

根据压头侵入岩石的断裂特征,确定了动静载荷耦合侵入岩石过程中所形成的中间、径向和侧向裂纹长度与侵入载荷、冲锤质量和冲击速度关系式,分析了冲击–静压切削组合破岩模式下冲击间距(频率)对破岩效果的影响。在自行研制的动静态多功能岩石破碎试验台上,以花岗岩为试验对象分别进行了动静耦合载荷侵入岩石试验和冲击–静压切削破岩试验。结果表明:组合载荷模式能大幅度提高破岩效果,冲击间距与切削深度之比值对破岩比能耗有很大影响,并且存在最优比值可使破岩达到最佳效果;合理的加载方式应是冲击载荷使岩石产生足够大的开裂区,再与之匹配适当的静压和切削力将开裂区岩石切削下来;大冲击能、高冲击频率、小冲击间距对于破碎脆性硬岩有较好的效果。     

基于协同破岩的TBM刀盘优化策略

岩石隧道掘进机工作时的刀具受力情况是影响刀盘破岩性能的关键。为了分析滚刀之间的协同破岩效应,提出3种基本的协同破岩模式,并将多把滚刀协同破岩过程等效为3种破岩模式的组合。不同破岩模式下,滚刀切割岩石的先后顺序不同,结合线性切割试验,证实了不同模式下3种滚刀力等级的大小关系。以引汉济渭岭北隧洞TBM工程为背景,研究得出名义磨损量与破岩模式的叠加效应具有较强的相关性,其中,由内而外模式占比与滚刀名义磨损量具有明显的正相关性,据此提出了考虑刀具磨损量的TBM刀盘刀具优化策略。     

基于岩碴粒径分布规律的TBM破岩效率分析

岩碴的形状、大小及其粒径分布规律是综合反映TBM破岩效率的重要指标,也是TBM掘进参数与岩石性质的重要联系。根据盘形滚刀破岩机制,对TBM掘进岩碴进行了现场量测和筛分试验,获得了TBM岩碴尺寸特征和粒径分布规律。在此基础上,对实测岩碴尺寸和粒径分布数据进行了统计分析和理论分布函数拟合。分析了粗糙度指数与岩石强度、岩石耐磨性的关系,探讨了不同围岩等级下粗糙度指数随掘进推力的变化规律。研究结果表明:①片状岩碴的长轴与短轴之比约为1.5,而长轴与厚度之比则差别较大,其长轴、短轴和厚度均服从正态分布;②不同岩性条件下岩碴粒径分布均符合Rosin–Rammler函数分布;③岩碴粗糙度指数越大,TBM破岩效率越高;硬岩条件下岩碴粗糙度指数随单轴饱和抗压强度增大而减小,而中硬—软岩条件下则相反;④无论是软岩还是硬岩,岩碴粗糙度指数随岩石耐磨性增大而减小,岩石耐磨性越强,TBM破岩效率越低;⑤TBM破岩效率与围岩等级密切相关,可根据现场实测岩碴粒径分布规律,确定Ⅱ级和Ⅲ级围岩条件下TBM破岩效率最佳时的掘进推力区间。     

特硬岩立井掘进中合理炮孔深度的试验研究

本文探讨了在特硬岩立井掘进爆破中的掏槽方式以及现场应用情况。对2．3m炮孔爆破与2．8m炮孔爆破的掘进速度、直接作业成本作了定量的对比分析。试验表明：强力复合掏槽在特硬岩立井掘进爆破中应用效果良好;2．3m炮孔比2．8m炮孔爆破的掘进速度更高、作业成本更低。     

Experimental study of the effect of conditioning on abrasive wear and torque requirement of full face tunneling machines

One of the main operational parameters in pressurized full face soft ground tunneling with machines such as earth pressure balance (EPB) TBMs is soil conditioning. Soil conditioners which are proper foam or conditioning agents, are often injected through the cutterhead or into the cutting chamber to make the muck flowable, lower inner friction between the soil particles, control soil stickiness, prepare the excavated soil to be compressible during the tunneling operation, control the water inflow, reduce the torque on the cutterhead, and lower power and torque of the screw conveyor. Foams can also be used in hard rock tunneling to reduce the wear and torque to replace conventional dust suppression by water sprays. This paper reviews the common practice in soil conditioning and focuses on assessing the influence of the conditioning on tool wear and torque requirement of the machines. Tests performed on many standard type soils and few samples from soft ground tunneling projects around the US on Penn State Soil Abrasion testing device. The results of tests performed in dry, moist and conditioned soil will be discussed and compared in this paper. The preliminary results show that the use of proper soil conditioning can reduce the wear of cutters and machine components by orders of magnitude while it can reduce the torque by over 50%.     

TBM滚刀破岩动态特性与最优刀间距研究

在对实际工况合理简化的基础上,从岩土细观角度出发,采用颗粒离散元法建立滚刀侵入岩体的二维模拟模型,研究双滚刀作用下岩体的动态响应机制,找出滚刀侵入过程中岩体裂纹、贯入度以及切削力三者的关系。在此基础上,通过数值模拟对常见切深下滚刀最优刀间距问题进行分析,得到不同切深下比能耗与刀间距的规律,并通过试验对双滚刀破岩过程中岩体动态特性以及最优刀间距问题进行验证,最后以工程实例验证研究结论。研究表明：仿真过程中,切削力随贯入度的变化与岩体的跃进破碎特性相一致,岩体破坏服从格里菲斯理论;较小切深下岩体为剪切破坏,较大切深下岩体发生拉应力破坏;切深为10 mm时比能耗有明显拐点,此时刀间距为100 mm;切深为6 mm时,60 mm刀间距下比能耗最小;切深小于2 mm时,实际工况下岩体不能产生贯穿裂纹。