盘形滚刀破岩过程有限元数值模拟

根据岩石Drucker-Prager塑性屈服准则和岩石的力学特性,利用ABAQUS软件建立岩石隧道掘进机(TBM)滚刀破岩的有限元模型,并模拟了滚刀的破岩过程,分析了滚刀破岩机理.模拟结果表明,不同的滚压深度对岩石破碎具有不同的效果.对于所选定的岩石力学参数,当滚压深度为4.8 mm时,岩石出现破碎.这对改进刀盘参数的设计,提高掘进效率具有一定的指导意义.     

刀圈线型对盾构滚刀破岩效率影响分析

通过对滚刀破岩机理进行分析,运用ABAQUS有限元仿真软件模拟分析不同线型刀圈破碎岩石的复杂非线性动态响应过程。研究结果表明:不同刀圈线型的刀具在破岩过程中,刀圈承受的平均滚动力和破碎岩石的体积不同,导致破岩效率不同。研究结果:盾构滚刀结构的设计和研究提供了一定的理论依据。     

复合地层TBM双滚刀破岩过程数值流形模拟研究

大型交通、矿山和水利工程TBM施工中不可避免会遇到复合地层,复合地层中TBM双滚刀破岩特征与均质岩层有较大差异。基于数值流形方法处理非连续问题的能力,引入弱不连续物理覆盖来对复合地层层理面进行表征,提出了模拟裂隙网络扩展过程的数值流形算法,进一步建立了模拟复合地层滚刀破岩过程的数值流形模型。同时,对软硬不均复合地层中不同刀间距的双滚刀破岩过程进行了模拟分析,研究发现：在相同贯入度下,不同滚刀间距的应力分布均具有明显的不对称性,硬岩中滚刀推力远高于软岩,从而易造成滚刀偏磨;当滚刀间距为100 mm时,两滚刀间岩片厚度达到最大值23.7 mm,刀间距增大或减小时,岩片厚度均出现降低趋势;不同刀间距条件下,软岩的破碎率均高于硬岩,其中软岩破碎率随刀间距的增加而增大,硬岩破碎率则在刀间距为100 mm时达到最大值10.5%。上述结果表明,在复合地层中,岩性对于TBM岩机安全及破岩效果的影响要大于滚刀间距,研究成果可以反映复合地层滚刀破岩规律。     

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。     

滚刀破岩试验装置的研制及应用

反井钻机在钻进过程中存在滚刀破岩效率低等问题,且刀具与岩石相互作用关系尚不明确。为探讨滚压破岩机理和效果的影响因素,自主研制了滚刀破岩模拟试验装置,能够进行不同滚刀类型和滚压参数的线性截割试验。选用单排镶齿滚刀进行了岩石破碎试验,获得正压力与滚动力关系曲线。结果表明:该试验装置可以实现滚刀在直线方向往复运动下的破岩过程模拟,具有较好的实用性和可靠性,为进一步揭示滚刀破岩机理和研究反井钻井工艺、技术、装备提供有效的测试手段。     

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。     

煤矿盘形滚刀岩石破碎试验台设计研究

针对煤矿井下掘进机截割岩石存在磨损严重、破岩效率低的问题,提出了盘形滚刀岩石破碎试验台的研究目的及设计方案。对试验台的主要结构组成、破岩姿态调整装置、石料夹具及测试系统进行了详细的阐述。该试验台能够对不同截割参数盘形滚刀破碎岩石过程进行实验室试验及截割性能分析,为悬臂式掘进机硬岩截割提供试验数据。     

新型破岩滚刀高压密封结构设计及应用

竖井钻机破岩滚刀密封寿命已成为钻井法发展的瓶颈,针对现有破岩滚刀的密封结构,分析了钻井法凿井中滚刀密封失效的原因,根据目前钻井法深井作业需求,对破岩滚刀密封结构进行了改进,并进行了新型高压密封结构性能试验,结果表明该结构密封性能良好,符合深井竖井钻进破岩滚刀高压密封性能的要求.     

新型破岩滚刀高压密封结构设计及应用

竖井钻机破岩滚刀密封寿命已成为钻井法发展的瓶颈,针对现有破岩滚刀的密封结构,分析了钻井法凿井中滚刀密封失效的原因,根据目前钻井法深井作业需求,对破岩滚刀密封结构进行了改进,并进行了新型高压密封结构性能试验,结果表明该结构密封性能良好,符合深井竖井钻进破岩滚刀高压密封性能的要求。     

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。     

基于离散元的超声波振动辅助TBM滚刀碎岩分析

超声振动辅助碎岩技术以其弱化岩石强度、降低切削力、加快钻进速度等优势受到广泛关注,将超声振动技术与滚刀结合,能有效提升隧道硬岩施工滚刀破岩效率.采用颗粒流离散元软件对超声波振动辅助滚刀碎岩过程进行了模拟研究,结果表明,超声波振动能够产生周期性应力波并向岩石内部传播,在岩石的近表面区域出现较强的拉应力,有助于浅层岩石的张拉破坏.超声波振动提升了岩石内部裂纹的生成规模,加快了裂纹的生成速度,提前了裂纹初次萌生时间,对滚刀的破岩性能有良好的增益效果.超声波振动下岩石裂纹生成更加平稳,减少了跃进式破碎现象,能够避免因剧烈振动产生的冲击载荷对滚刀产生异常磨损和破坏,对延长滚刀寿命具有促进作用.     

节理倾角对岩石隧道掘进机破岩特性影响的数值研究

为研究节理特征对岩石隧道掘进机（TBM）盘形滚刀破岩特性的影响,采用颗粒离散元法（PFC）建立了不同节理倾角下双滚刀破岩模型并进行数值仿真,研究不同节理倾角对应的岩石破碎模式、裂纹数目和破岩比能。结果表明:（1）倾斜节理的存在改变了裂纹扩展规律,裂纹呈现不对称性扩展模式。节理的存在改变了裂纹的延伸方向,限制主裂纹向下扩展。节理倾角越大,对主裂纹的萌生与扩展起到的阻碍作用越明显。节理倾角较小时,裂纹沿节理倾向延伸,有利于双滚刀间裂隙的贯通,有利于岩石碎屑的剥落;（2）节理倾角对剪切裂纹的影响较小,主要影响拉裂纹数目。总裂纹数随节理倾角的增大先增大后减小,当节理倾角为30°时达到最大。从滚刀破岩效率来看,节理岩体存在一个最优节理倾角。当节理倾角在30°附近时,破岩比能最小,破岩效率最高。基于颗粒离散元法PFC2D可以较好地模拟节理岩体双滚刀破岩过程,弥补室内试验无法进行细观特性研究的缺陷。     

国产与进口TBM滚刀刀圈显微组织与磨损机理的对比分析

笔者将某国产滚刀刀圈的化学成分、硬度、冲击韧性及显微组织与进口产品进行了对比分析,结果表明,TBM在硬岩掘进过程中,国产滚刀刀圈磨损以显微切削转变为疲劳剥落机制为主,进口滚刀刀圈的磨损则以切削犁沟变形应变疲劳为主。     

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。     

盘形滚刀磨损预测模型

盾构或TBM长距离掘进硬岩施工中,不可避免地会遇到盘形滚刀磨损问题。通过分析滚刀的磨损机理,确定了滚刀最主要的直接磨损机制是基于塑性去除的磨粒磨损;基于Rabinowicz磨粒磨损方程和CSM滚刀破岩力模型,通过近似计算和数学推导,建立了滚刀直接磨损的磨损速率和线磨损速率预测模型;并通过广州地铁7号线9标和广深港狮子洋隧道正滚刀的磨损数据进行了验证。结果表明,基于材料磨损机制建立滚刀磨损预测模型的可行性,所建立的预测模型也能较准确地反映滚刀的真实磨损情况。所建立的滚刀磨损速率模型可用于预测不同安装半径滚刀的正常掘进距离,所提出的滚刀线磨损速率可以作为衡量滚刀耐磨蚀性的重要指标;并且给出了滚刀磨损速率、线磨损速率与地层抗压强度、刀刃屈服强度、滚刀安装半径、滚刀直径、刀刃宽度、刀间距、贯入度等参数之间的定量关系;但该模型仅适用于正滚刀和中心刀的正常磨损预测,对于边滚刀还需考虑二次磨损。     

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破岩机理的三维FEM-SPH耦合算法

采用改进的有限元-光滑粒子流体动力学耦合（FEM-SPH）的方法,建立了TBM单滚刀和双滚刀破岩的三维数值耦合模型,研究了TBM破岩机理,研究结果表明,压碎区形成阶段,在单滚刀推力的作用下,微裂纹向下扩展形成扇形破坏区;在切向力的作用下,微裂纹向前扩展形成另一个扇形破坏区,两个扇形破坏区组成了锥形破坏区;在微裂纹形成阶段,侧向裂纹的扩展速度大于中央裂纹的扩展速度;在微裂纹扩展阶段,中央裂纹的扩展速度大于侧向裂纹的扩展速度;当滚刀向岩体的边缘滚动时,边缘部位的岩石以扇形失效;压碎区形成阶段,每个滚刀单独作用在岩石上,在每滚刀的下方形成一个锥形破坏区;在微裂纹形成阶段,由于滚刀之间的相互作用,赫兹裂纹改变扩展方向;在微裂纹扩展阶段,赫兹裂纹连接和贯通,形成岩片。