考慮巖體強度及截割參數的掘進機截齒破巖特性

＊武茂超 萬鵬 姚樹標 黃開飛 汪杰

（1.山東黃金礦業（玲瓏）有限公司 山東 265433 2.北京科技大學 土木與資源工程學院 北京 100083）

在適當的情況下，機械挖掘技術比“鉆爆法”更具吸引力的原因是其生產率提高、操作環境友好、易于自動化、連續和選擇性開采、芯片尺寸可控性和更高的安全性，并且能夠減少鑿巖爆破開采帶來的高貧化損失率。因此，掘進機在金屬礦山中也擁有廣大的使用前景。

自20世紀80年代以來，通過理論、實驗和仿真等手段，對掘進機中截齒切削性能或切削特性的研究引起了學術界和工程界的廣泛關注[1-3]。但對于金屬礦山中掘進機的使用條件研究甚少，董磊等[4]利用顆粒流仿真軟件PFC2D進行單齒截割模擬仿真，探討了單齒截割巖石時接觸狀態對截割力的影響。張曉龍等[5]研究截齒截割煤巖的動態破碎過程以及不同切削厚度對切削力的影響，采用離散元軟件EDEM建立了煤巖截割的三維離散元模型并進行了仿真分析。Liu等[6]分析鎬型截齒截割過程和煤巖力學特性試驗的基礎上，基于PFC（顆粒流程序）中的經驗截割參數、不同割刀間距、煤樣力學性能模擬、鎬型截齒廓形和SRM（合成巖體）方法，建立了一組鎬型截齒截割煤巖模型。截齒對巖石的破壞是一個復雜的斷裂過程，且在截割過程中也一直處于變化的狀態，而離散元法在模擬煤巖破碎狀態、裂紋的萌生、擴展等方面具有明顯優勢[7-8]，因此常被用于截齒截割破巖模擬研究。

綜合分析國內外的研究成果可知，以往的截割破巖理論已經相對成熟，但主要的研究對象為煤礦使用的采煤機，對于金屬礦使用的掘進機截齒方面的研究尚少，在現場中掘進機截齒的適用范圍選擇面臨較大挑戰，因此本文試驗是基于單齒截割金屬礦山巖體，采用PFC3d軟件開展了28種工況條件下截齒截割破巖仿真模擬實驗，分析截齒截割破巖過程中截割力、裂紋演化、比能耗的變化規律，以期為掘進機的現場工作提供一定的指導作用。

1.研究方案

由井下極破碎巖體區域的巖體回彈測試得到現場巖體力學性質可知，開采地帶的巖體平均最小單軸抗壓強度為23.01MPa，平均最大單軸抗壓強度為50.31MPa，為全面的探究在不同強度的巖體條件下，破碎機對巖體的切割破碎影響，將模型巖體的強度劃分為25MPa、35MPa、45MPa、55MPa四個區段。截割深度劃分為2mm、4mm、6mm、8mm，截割角度為35°、40°、45°、50°，各影響水平的取值如表1所示。

表1 實驗方案

以截割角度為45°，將巖體強度與截割深度兩兩組合成16種工況，再以截割深度為4mm，將巖體強度與截割角度兩兩組合成16種工況，去除截割深度4mm、截割角度45°的四種重復工況，共得到28種截割破巖的模擬數據。

2.模型構建與參數標定

（1）模型構建。礦山采用XTR4/180懸臂式隧道掘進機進行及破碎巖體開挖，切割機構主要由切割頭、切割臂、噴霧架、減速機、切割電機組成，如圖1所示。

圖1 切割機構

本次模擬實驗為測試單個截齒的截割性能，根據XTR4/180懸臂式隧道掘進機上截齒形狀建立實體截齒模型。綜合考慮模型尺寸和計算效率，建立尺寸大小為50mm×50mm×100mm巖體模型，巖體顆粒數目為17677，如圖2所示。

圖2 模型構建

（2）參數標定。在開展模擬實驗前，需對設定的四個巖體強度進行參數標定，以保證模擬的準確性，通過試錯法，不斷重復進行巖體顆粒細觀參數標定，使得四種巖體宏觀力學特性與現場巖體測定結果相吻合，此時可認為巖體模型構建正確，其標定后巖體宏細觀參數見表2。

（3）模擬過程。在模擬初始階段，將生成巖體顆粒體模型時用于約束顆粒的頂部和側面墻體刪除，并將靠近底部墻體的顆粒固定，如圖2所示。為保證巖體顆粒體在準靜態平衡狀態下參與截割，模擬采用較小的截割速度0.004mm/s。在整個模擬截割過程中，截齒的截割距離為40mm。對作用于截齒上的截割力載荷進行實時監測，并記錄試驗過程中產生的裂紋數目。

3.結果分析

對構建的28種巖體模型開展截齒截割破巖數值模擬實驗，得到各組截割模型的截割力載荷（法向力Fn和切向力Fc）、裂紋數量以及通過計算得到得掘進機比能耗。

（1）截割法向力變化特征。截割破巖過程中，截割三向力曲線的變化規律基本一致，但是法向力的變化幅度相對較大，能較好的觀察其變化規律，因此將截割法向力作為分析對象。圖3為巖體強度、截割深度、截割角度分別在其余兩者影響水平不變的條件下，產生的各組模擬實驗的截割法向力曲線。由圖3（a）中可得，隨著巖體強度的增加，截割法向力荷載曲線的峰值位置隨著往后移，說明巖體強度增加阻礙了截齒對巖體的破壞。從圖3（b）可知，截割深度從一定值開始增加時，截割法向力荷載曲線的峰值位置隨著往后移，說明截割深度增加阻礙了截齒對巖體的破壞，但是在截割深度為2mm時的截割法向力峰值表現在截割停止時刻，說明截割深度太淺，截齒與巖體接觸面較少，其截割力曲線的峰值變化較大。由圖3（c）中可得，隨著截割角度的增加，截割法向力荷載曲線的峰值位置沒有發生顯著變化，說明截割角度增加不影響截齒對巖體的峰值破壞方式。

圖3 截割法向力曲線

截割破巖整個過程中，為反應截割力在不同巖體強度水平下，隨截割深度、截割角度增加而產生的變化，將截割力進行平均化處理，得到各組合模擬實驗的平均截割力，并對其切向力和法向力變化規律進行分析，如圖4、圖5所示。

圖4 平均截割力隨截割深度與巖體強度的變化

圖5 平均截割力隨截割角度與巖體強度的變化

由圖4可知，平均切向力和法向力在不同巖體強度水平下，均隨著截割深度的增加而增加，在巖體強度25MPa至55MPa四個水平中，隨著截割深度的增加平均切向力分別增加了175%、189%、208%、183%，平均法向力分別增加了282%、352%、388%、339%。

由圖5可知，在35MPa至55MPa的三個巖體強度水平下，平均法向力隨著截割角度的增加而增加，在25MPa的巖體強度水平下，平均法向力在35°增至45°過程中隨之增加，從45°至50°轉為下降。而在25MPa至55MPa的四個巖體強度水平下，平均切向力在35°增至50°過程中，呈現“N”狀先增大后減小再增大的變化規律。

為探究截割力中法向力與切向力之間的增長關系，將法向力與切向力相比，得到其比值在不同巖體強度下與截割深度、截割角度的變化規律，并進行數據擬合，如圖6所示。

圖6 Fn/Fc的擬合曲線

由圖6可知，擬合曲線隨著截割深度、截割角度的增加依次從上往下排列，在截割深度從2mm增至8mm的過程中，Fn/Fc隨著截割深度的增加而降低，Fn/Fc與截割深度呈線性降低關系，并且擬合關系良好；在截割角度從35°增至50°的過程中，Fn/Fc隨著截割角度的增加先增大后減小，呈二次項擬合關系，且擬合關系良好。在巖體強度增加時，截割法向力和切向力均增大，但是Fn/Fc減小，此時截齒的法向和切向受力大小較為平衡，有利于截齒破巖的穩定進行，但是截割力變大，將產生更多不必要的做功，具體研究需要更進一步的對其截齒比能耗進行分析。

（2）裂紋演化規律。巖體模型中的顆粒體斷裂是基于剪切失效和拉伸失效兩種模式下產生的，在接觸區域附近，只要截齒對顆粒體的法向或切向作用力超過黏結鍵的法向或切向強度，則發生黏結斷裂。隨著截齒破巖進程的推進，顆粒之間黏結斷裂數目增加，微觀裂紋逐漸延伸并擴展，紅色和黑色圓盤分別代表顆粒間黏結鍵因法向和切向失效而形成的斷裂，對截割過程中的裂紋演化規律進行分析，得到裂紋數量曲線，如圖7所示。

圖7 裂紋數量演化

在加載初期，截齒慢慢截割巖體，與巖體的接觸面增加，到截齒完全進入巖體后，接觸面大小保持穩定，裂紋數量在慢慢進入巖體時期緩慢增長，在全部進入巖體內部后轉為快速增長。從圖7（a）可知，巖體強度從25MPa增至55MPa過程中，裂紋數量曲線從上至下排列，其中25MPa與35MPa的裂紋數量曲線間隔較大，而35MPa至55MPa的裂紋數量曲線的分布間隔較小，且從截割破巖圖中可以看出裂紋發育范圍逐漸變小，說明巖體強度越大，顆粒之間的黏聚力越大，產生破壞的范圍越小。從圖7（b）可知，截割深度從2mm增至8mm的過程中，裂紋數量曲線從下至上排列，且從截割破巖圖中可以看出裂紋發育范圍逐漸變大，說明截割深度的增加，截齒與巖體的接觸面增大，因此在破巖過程中產生的裂紋數量增加。從圖7（c）可知，截割角度從35°增至50°的過程中，裂紋數量曲線從下至上排列，且從截割破巖圖中可以看出裂紋發育范圍逐漸變大，說明截割角度增加，截齒對巖體的破壞范圍變大。

（3）比能耗分析。截割單位體積巖體所消耗的能量稱為比能耗，它與巖體性質、旋轉速度、采掘設備的截割功率及刀具幾何形狀密切相關，是確定采掘機械截割效率的重要參數之一。常用的比能耗計算公式如下：

其中，SE—比能耗，單位kWh/m3；Fc—平均切向力，單位kN，即為一組試驗中所有截割刀次測得切向力數據的平均值；L—截割長度，單位mm；—巖體密度，單位g/cm3；m—巖屑質量，單位g。

截割長度為40mm，巖體密度為2500g/cm3，可以計算得出不同截割深度和不同巖體強度的掘進機截割比能耗，并做巖體強度及截割深度與比能耗之間的關系圖，如圖8、圖9所示。

圖8 比能耗的變化規律

圖9 比能耗三維擬合關系

從圖8可知，在25～55MPa的四個巖體強度水平，截割深度從2mm增至8mm的過程中，比能耗隨著截割深度的增加而降低；在截割角度從35°增至50°的過程中，比能耗隨著截割角度的增加呈先增加后降低趨勢，在截割角度為40°、45°時比能耗較大。

由圖9（a）可知，在2mm截割深度條件下，截割比能耗隨著巖體強度的降低而降低，巖體強度從55MPa減少至25MPa過程中降低了75.8%；在25MPa巖體強度時，比能耗隨著截割深度的增加而降低，截割深度從2mm增至8mm過程中降低了60.6%；在8mm截割深度條件下，截割比能耗隨著巖體強度的降低而降低，巖體強度從55MPa減少至25MPa過程中降低了73.2%；在55MPa巖體強度時，比能耗隨著截割深度的增加而降低，截割深度從2mm增至8mm過程中降低了64.5%。由圖9（b）可知，比能耗、巖體強度與截割角度的三維擬合關系，變為中間拱背的形狀，在巖體強度為25MPa、截割角度為35°和50°時比能耗最低，而在巖體強度為55MPa、截割角度為40°與45°之間最高。

綜合分析圖8、圖9，從比能耗與巖體強度、截割深度、截割角度的關系可知，掘進機的工作適用條件應該在巖體強度為25MPa，截割深度為8mm，截割角度為35°或50°的條件下。

4.結論

（1）巖體強度、截割深度的增加，顯著阻礙了截齒對巖體的破壞，而截割角度的增加對截齒破巖的影響較小；Fn/Fc與截割深度呈線性降低，與截割角度呈二次項函數先增后減，在巖體強度增加時，截割法向力和切向力均增大。（2）巖體強度越大，顆粒之間的黏聚力越大，裂紋的發育破壞范圍減小；截割深度增加，截齒與巖體的接觸面增大，破巖過程中裂紋數量增加；截割角度增加，截齒對巖體的破壞范圍稍微變大，裂紋數量增加。（3）從比能耗與巖體強度、截割深度、截割角度的關系可知，掘進機的工作適用條件應該在巖體強度為25MPa，截割深度為8mm，截割角度為35°或50°的條件下。