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。     

TBM双滚刀破岩过程模拟及刀圈结构设计

为研究TBM盘形滚刀作用下岩石的破碎过程及刀圈结构参数对破岩过程的影响,利用离散元方法建立了双滚刀线性切削岩石三维模型,研究了不同因素影响下岩石的接触力、微观裂纹扩展及破碎颗粒生成规律;分析了刀刃宽及刀刃角对破岩过程的影响,建立了刀圈结构参数与破岩效率的映射关系;结果显示岩石微观破坏以张拉破坏为主,裂纹呈加速扩展趋势;刀圈结构参数刃宽及刃角对于破岩过程均有影响,其中前者的影响较为明显。刃宽增大导致滚刀受力及破岩体积均明显增大,而刃角对于这两者的影响相对较小。基于以上映射关系,以17寸滚刀为例,进行了结构参数设计,获得了最优的滚刀刃宽和刃角。     

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。     

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.     

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。     

软硬地层下TBM滚刀破岩裂纹特性分析

全断面隧道掘进机高效破岩受软硬地层和滚刀结构的影响较大。本文基于颗粒流离散元法,建立了软硬地层的滚刀破岩模型,从细观层面分析了滚刀贯入度和刀刃宽度对岩石裂纹扩展的影响。结果表明：1)滚刀破岩以张拉破坏为主,剪切破坏为辅,软硬地层下的破岩力相差很大;2)随着贯入度和刀刃宽度的增加,软硬地层的裂纹扩展越之充分,破碎区域也逐渐增大,其中刀刃宽度对裂纹的扩展影响更大;3)比较适合的贯入度和刀刃宽度分别为4、10 mm。本文研究结果对TBM掘进施工具有一定的参考价值。     

TBM盘形滚刀破岩力计算模型分析

TBM挖掘机滚刀在挖掘过程中起着重要作用,研究滚刀的受力状态有助于优化设计,提升开采效率。对滚刀运动状态进行分析,根据其位置、速度关系得出滚刀运动规律,对滚刀受力状态进行分析。提出滚刀接触应力和破岩力的计算公式,对结果进行调整修正,使其更符合滚刀实际工作情况。经试验验证,滚刀破岩力计算公式与滚刀受力基本吻合,公式能够作为滚刀分析和优化设计的参考。     

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。     

深部节理岩体TBM滚刀破岩效果及最优刀间距研究

为了优化深部岩体中TBM刀盘滚刀的布置,提高TBM掘进效率,采用二维离散元软件UDEC分别研究了节理间距、倾角及贯入度对滚刀破岩的影响。研究结果表明:节理间距为50 mm时,裂纹均扩展到节理面,但节理面对裂纹的扩展有阻隔作用,不管节理的倾角如何,裂纹仍然沿着其倾斜的方向扩展;节理间距不大于100 mm时,岩石的裂纹可以扩展到节理面,节理对裂纹扩展起到控制作用;当节理间距不小于150 mm时,裂纹的扩展无法到达节理面,节理基本不影响裂纹扩展;对于水平节理,节理间距较小时,节理的存在不利于滚刀破岩,随着节理间距的增加,这种不利影响逐渐减弱、直至消失。节理倾角为30°时,由于节理倾角较小,节理间距的减小导致最优刀间距也在减小。节理倾角为60°时,节理间距越小越有利于滚刀的破岩。最佳贯入度随着节理倾角的变大存在逐渐上升的变化趋势,倾角0°变大至90°时,最佳贯入度从2 mm左右比较迅速地增大至7 mm左右。     

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。     

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。     

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.     

基于CSM模型的TBM滚刀的计算力学模型与求解

以岩石断裂力学和CSM预测模型为理论基础,深入分析了全断面岩石掘进机滚刀的破岩机理,并基于实际的施工过程,对滚刀进行了受力分析。通过对CSM预测模型的系统推导,提出了计算滚刀所受到的各个载荷的一般方法,并通过实例计算对滚刀所受载荷进行了量化研究,与实际测量数据进行对比,证明CSM模型可以替代试验方法计算全断面掘进机滚刀的受力情况,为全断面岩石掘进机的性能预测以及滚刀设计提供了理论依据。     

深部复合地层围岩与TBM的相互作用及安全控制

TBM工法因其安全、高效、优质、环保和有利于围岩稳定等优点,将是交通、水利和矿山等重大生命线工程建设的首选工法,而深部复合地层围岩与TBM的相互作用及安全控制是TBM掘进过程中面临的重大基础问题。在回顾研究现状及存在问题的基础上,紧扣围岩与TBM的相互作用及安全控制这一主题,阐明深部复合地层地质条件与力学行为特征、TBM-深部复合地层相互作用与致灾机理、深部复合地层TBM施工安全控制与系统适应性评价决策等关键科学问题。论述围岩与TBM的相互作用机理及安全控制研究思路,并介绍了部分研究进展。最后简述了TBM在煤矿中的应用与发展趋势,可以预见TBM工法将是未来煤矿超千米深部主要巷道建设的必然发展趋势。