截齿破岩机制及截线间距优化试验研究

根据截齿侵入岩石的断裂特征和相关试验数据,分析了破岩机制及不同截线间距对破岩效果的影响。在单刀旋转截割试验平台上,以不同切削深度和截线间距进行组合试验,并结合比能耗、粗度指数及截割载荷3个评价指标,对截线间距进行优化,研究截割该类型砂岩时截线间距与切削深度的最佳比值。试验结果表明,岩石在单齿旋转截割作用下的破碎过程大致可以分为初始压碎区细粒岩屑生成、密实核形成并储能、各向裂纹的扩展与连通、断裂体崩落、二次压碎区细粒岩屑生成5个阶段,且岩屑的断裂是以拉伸为主并伴随着挤压和剪切的共同作用;在最佳截割条件下,粗度指数较高,岩屑成块率增加,且比能耗低。通过分析岩石破碎过程及对截线间距的优化,可为掘进机破岩机制研究及截齿布置提供参考。     

截齿截割煤体变形破坏过程的红外热像研究

对截齿截割煤体变形破坏过程的红外热像进行测量和分析,从而研究截齿截割作用下煤体变形破坏规律。改变截齿类型、截割速度、截深、测量方位等测量煤体红外热像,发现扁齿截割时在垂直截割方向与扁齿凸脊相应处出现条状高温区;锥齿截割时在齿尖附近出现点状高温区;截割速度越快,热效应越明显。截齿截割煤体过程中,温度场中最高温度值与截深及煤体力学性质有关。截深越深,温度场中最高温度越高;煤体的抗拉强度、抗压强度、黏结力、内摩擦角越大,高温区的最高温度越高。     

截割厚度和截线距对镐型截齿破岩的影响研究

为了研究不同截割厚度和截线距对镐型截齿截割力和截割比能耗的影响,基于TRW-3000真三轴电液伺服测试系统及自主设计的创新型截齿加载平台,对炭质板岩和流纹质碎屑岩试样进行了室内直线截割试验。试验结果表明：截齿破岩呈现4种破坏模式,两相邻截齿之间存在显著的协同作用。平均截割力随截割厚度和截线距的增大呈线性增大。随着截割厚度的增大,截割比能耗呈幂函数减小;随着截线距和截割厚度的比值的增大,截割比能耗先减小后增大,且存在一个最小比能耗,即最优值,最优截割比能耗远小于无截槽影响的比能耗,此时截线距和截割厚度的比值为2或3。利用室内试验结论优化了悬臂式掘进机截割头上的截齿布置,并运用到掘进机非爆掘进现场工业试验,大幅提高了掘进效率并降低了掘进成本。     

截齿截割煤体变形破坏过程的散斑测试研究

采用白光数字散斑相关测定方法,在压力机上,在截割模拟实验台上分别对煤试件进行刀齿、镐齿的截割实验,研究被截割煤体的变形破坏过程。研究表明：截齿截割煤体过程中,煤体出现稳定的变形局部化带,且最终发展为宏观裂纹;煤体变形局部化带为一个倾斜带;刀齿截割时,变形局部化发展较慢,但产生变形局部化后,局部化带宽且带内应变值较高;而镐齿截割时,变形局部化发展较快,但产生局部化后,局部化带窄且带内应变值不如刀齿高。截齿截割作用下的煤体变形破坏主要是剪破坏。     

PDC锚杆钻头回转钻进的力学特性与试验

针对煤矿巷道锚固孔快速精准钻进的施工需求,通过建立PDC锚杆钻头回转钻进力学模型,对其主要力学影响因素进行了理论分析。结果表明:PDC切削齿轴向力随压入深度的增大而增大,随切入角的增大表现出先减小后增大的趋势;当煤系岩石摩擦系数f为0.20~0.43时,可得最优切入角为15.0°~18.3°,此时在相同压入深度条件下轴向力和切向力最小。并进一步结合煤系岩石的力学特性,提出了PDC切削齿作用下的岩石破碎条件,得出不同压入深度时轴向力和切向力的关系。利用自主研发的钻进试验台对模拟岩样进行了钻进试验,试验结果验证了PDC锚杆钻头回转钻进力学模型的正确性。研究结果为PDC锚杆钻头优化设计,锚固孔钻进效率与精度的提高,以及钻进轴向力和切向力的变化预测等提供了理论依据。      

双轴压缩条件下颗粒材料中力链的演化

针对无黏性颗粒材料,开展了柔性边界双轴压缩数值试验,分析了不同围压下力链的数量、方向概率等随轴向应变的变化。研究结果表明：不断加载使得游离的高应力颗粒有所减少,荷载更多的被力链承担;统计意义上,力链最大长度为9个颗粒。轴向±30o范围内力链概率随应变的发展与偏应力一致,而与其邻接的[40o,60o]和[120o,140o]两个方向上的力链概率随应变的发展与偏应力相反;双轴试样剪切破坏时有单剪切带和双剪切带两种模式,当[40o,60o]和[120o,140o]两个角度区间的力链概率有较大差异时,剪切带出现在力链较少的角度区间;当这两个角度区间力链概率接近时,试样中将出现两个剪切带。     

截齿滚动掘进冻土过程的影响因素数值模拟研究

为了解决竖井冻土开挖难度大、人工挖掘效率低的问题,研究发明了一种新型重力式竖井掘进机,该掘进机利用截齿连续滚动向下、行走式掘进冻土,在竖井冻土掘进中具有较好的适应性,而截齿侵入深度是影响掘进冻土效率的重要因素。先采用三维软件建模,通过霍普金森压杆冲击试验,结合HJC压缩损伤模型原始参数,优化得到冻土本构模型参数;再利用有限元分析软件耦合,模拟截齿在不同侵入深度下滚动掘进冻土,得到冻土在不同凹陷破坏深度下的截齿三向力、冻土应力和应变的变化规律,便于直观研究截齿掘进冻土过程,寻求最优截齿侵入深度。仿真结果表明：随着截齿侵入深度增加,截齿三向力变大,冻土凹陷面积扩大,冻土应力向下无边界扩展递减;冻土与截齿接触区域应力、应变最大,远离截齿作用时冻土区域的应力、应变逐渐递减,其变化规律与截齿连续滚动掘进冻土特征相关;当冻土单轴抗压强度为9 MPa时,截齿滚动掘进冻土过程存在最优截齿侵入深度,为4 cm,此时冻土破坏特征明显,截齿滚动掘进冻土效率最高且能耗低。     

水力切缝上方TBM滚刀贯入破坏机制模拟研究

为了提高坚硬岩层隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）贯入度和降低滚刀受力,高压水射流辅助TBM滚刀破岩已在工业界初步应用。为了揭示水力切缝滚刀破岩机制,基于水力切缝岩石滚刀贯入试验进行了三维颗粒流模拟,研究了滚刀贯入力和贯入刚度随切缝深度的变化规律,揭示了不同切缝深度滚刀纵横剖面内的裂纹扩展和力链演化过程,分析了拉裂纹和剪裂纹随切缝深度的变化规律,明确了不同切缝岩石滚刀贯入的破坏模式和破坏机制。结果表明,第1次贯入的贯入刚度和贯入力随切缝深度的增加大致呈线性降低,第2次贯入的峰值力和贯入刚度小于第1次。而且,50～80 mm刀间距的变化对峰值贯入力的影响并不显著。随着切缝深度的增加,滚刀下方力链集中区边缘的倾角变大。由此导致破坏倾向于倾斜向下发展,当刀间距增加时,破坏由切缝一侧倾斜破坏向两切缝中间岩脊倾斜破坏转变,研究结果可为TBM滚刀与水射流布置和切缝深度的选取提供一定参考。     

贯入角度对截齿破岩性能与几何排布的影响研究

截齿贯入角度是双轮铣槽机布齿系统设计中的关键因素之一。基于连续−非连续单元法（CDEM）,建立截齿不同角度冲击贯入破岩的数值模型,通过断裂能本构模型实现岩体弹性−损伤−断裂的破裂过程,开展截齿有效角度50º～90º区间内的9组冲击贯入破岩模拟,研究贯入角度对截齿破岩性能的影响规律,讨论贯入角度对截齿几何排布的影响,总结布齿系统的截齿几何排布规律。结果表明,当贯入角度从90º降低到50º时,岩体由张拉−拉剪破裂向剪切−拉剪破裂转变,截齿平均贯入力与破碎程度提高,截齿的跃进式侵入特性的显著性减低;贯入角度为75º～90º的第I类截齿与小于55º的第III类截齿在破岩中起辅助作用,贯入角度为55º～75º的第II类截齿可在岩体内部产生范围较大的水平非贯通裂隙,在布齿系统破碎岩体过程中发挥主要作用;2个第II类截齿先后贯入岩体可较好地破碎截线间的岩体,可构成一类基本破岩单元,多个基本破岩单元按照正弦线形式排布,由此形成了一种布齿系统设计方法。研究成果为完善双轮铣槽机布齿系统设计方法,打破国外在双轮铣槽机布齿系统设计方法上的技术壁垒提供了理论基础。     

模拟深井条件下的牙轮钻头单齿破岩试验

利用深井破岩试验装置，模拟了不同井深压力条件下对泥岩进行牙轮钻头单齿破岩试验，试验结果得出：随着井深的增加，岩石硬度增加，破碎岩的的力增加，石破碎体积减小，岩石破碎功增加，这是机械钻速低的根本原因，因此必须解决深井条件下的牙轮钻头齿形和布齿方式，以适应深井地层的钻井，达到提高机械钻速的目的。     

旋挖钻机碎岩计算方式的分析探讨

结合外载碎岩基本现象,对旋挖碎岩基本过程进行分析,得出其在回转钻进情况下的螺旋破碎的碎岩形式。然后根据岩石破碎时的压入条件,以单个截齿为研究模型,得出轴向压力的理论计算公式,继而参考库伦纳维的内摩擦理论,得出了切削力的理论计算公式。根据不同钻具形式,将单个截齿的计算公式扩展,得到了旋挖钻机压力和扭矩参数的计算公式。将轴向力与切削力计算公式中在特定工况下的影响因子简化,得出了旋挖钻机钻进过程中进尺速度与切削力的理论关系。最后利用LS-DYNA动态分析软件模拟了单个截齿在不同侵深条件下的切削力变化曲线,并将曲线与同等工况下理论计算的曲线进行对比,得出单个截齿的入岩参数理论计算公式。可为入岩旋挖钻机设计提供参考。     

基于数字图像相关方法的动载颗粒体系力链破坏机制初探

颗粒物质是具有复杂力链网络的常见体系,其平衡和稳定性取决于内部力链骨架的几何结构和力学性能。为恰当刻画颗粒体系的微细观力学行为,从颗粒局部排列形态、颗粒间接触力和颗粒及外荷载的物理参数出发,展开基于二维数字图像相关技术（2D-DIC）的集中力作用下颗粒体系变形的试验。通过结合DIC的试验方法,应用牛顿力学理论及颗粒线性动量平衡获得颗粒间接触力的大小和方向,确定力链的动力学规律;得到颗粒间接触力大小分布变化并提取颗粒体系力链;提出颗粒排布的两种状态：横向传力和纵向传力状态;分析颗粒接触面法线与水平轴的夹角?、传力角?,讨论了?、? 对力链断裂破坏的影响;分析颗粒直径d与外荷载压条直径D的比值R以及压条下表面能直接接触的最大颗粒数N等参数,为描述力链的演化和破坏重构机制提供参考基础;简单阐述了力链网络在外荷载下的微细观统计效应对体系宏观力学性质的影响规律。     

Numerical Studies on Chip Formation in Drag-Pick Cutting of Rocks

A two dimensional non-linear finite element simulation model has been developed using a mathematical model for progressive rock failure for understanding the mode and sequence of rock failure under a drag pick cutter. Rock cutting simulation has also been done using linear elastic modeling using local stability factor contouring. It has been observed from the simulation results that during negative rake angle cutting the chipping occurs by shear failure of the elements. Whereas, in positive rake angle cutting, some elements were observed to fail in shear and some under tension. The predicted peak cutting force using the developed models was found to be up to 25% higher than the experimental values. The effect of input parameters such as rake angle, flank wear, depth of cut and rock properties on the predicted peak cutting force has been studied, verified from earlier experimental studies and compared with some earlier proposed theories on rock cutting. The elastic stress analysis model based on the stability factor contouring method has also been found to be an effective tool to bracket the expected peak cutting force for a given operational and rock parameters but failed to simulate the effect of pick geometry (rake angle) correctly. The non-linear simulation model using progressive rock element failure is superior to elastic linear stress analysis model by simulating the correct trends for all the rock and machining parameters.     

Effect of cutting depth and line spacing on the cuttability behavior of sandstones by conical picks

Various types of conical picks in different shapes are produced and widely employed on mechanical excavators. Depending on the mechanical and abrasivity properties of rocks, appropriate shape of pick is selected. In order to obtain maximum efficiency from the pick during excavation, the interaction between the pick and rock and the cutting mechanism play very important role. In this context, linear cutting tests were conducted by using a conical pick at the cutting depths between 3 and 18 mm and also at the various line spacings on sandstones exhibiting different mechanical properties. The results indicated that cutting depth and line spacing have significant influences on the tool forces acting on the pick, the ratio of normal to cutting force, and the specific energy. Accordingly, strong correlations and empirical models were developed. In conclusion, the empirical models proposed for estimating the forces and specific energy would be used for producing the conical bits and also designing the cutter heads of mechanical excavators on soft and medium-hard strength sandstones.     

基于断裂力学的岩石切削数值分析探讨

为研究岩石切削过程中刀具的力学特性以及刀具平均峰值作用力的预测,基于断裂力学和有限元理论建立了岩石切削的数值模型。模拟分析岩石对刀具的反作用过程,得到不同力学特性岩石和刀具作用条件下刀具所受的反作用力,结果表明,冲击速度在一定范围内对刀具平均峰值作用力影响较小;岩石体积呈阶跃性递减,刀具作用力大小与崩落岩石碎片体积变化一致。对模拟、实验以及已有理论计算得到的刀具平均峰值作用力进行线性回归分析,研究结果表明,数值方法计算结果与实验结果、Goktan[1]理论计算结果的线性相关系数分别为0.812、0.930,相关性较好,表明所建数值模型用于模拟岩石切削是正确和可靠的。     

颗粒接触力检测方法评述

颗粒物质是大量固体颗粒体系的集合体,其特性区别于普通固体和液体等物质的性质,颗粒物质基础力学问题的研究20年来一直是科学的前沿,从分析多尺度结构和相关物理机制的角度研究颗粒物质可能取得突破。首先介绍了微观尺度--亦即单颗粒尺度颗粒间接触力的检测方法,包括高精度电子天平称重法、显色灵敏复写纸压痕方法、光弹实验方法、荧光共聚焦显微镜法和磁共振弹性成像法等,根据检测过程中是否对颗粒带来影响划分为接触式检测和非接触式检测两大类,并对这些方法的工作原理、检测结果和优缺点进行了评述。我们指出接触式测量对颗粒体系带来了或多或少的干扰,特别是由于力链对局部力的变化反应极为敏感,轻微的变化足以使得力链结构发生很大变化,开展无干扰的光测实验是必然的发展趋势,而现阶段开展二维光弹性实验是很有意义的。最后介绍了作者正在进行的颗粒物质光弹力学实验的研究工作。