掘進機盤形滾刀破巖影響因素的分析

崔雅楠

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司， 山西 長治 046100）

引言

掘進機是進行礦山開采及隧道施工的重要設備，采用掘進機可以大幅提高掘進效率，并且具有安全、利于環境保護的特點。全斷面的掘進機采用盤形滾刀的形式，通過將刀具擠壓到巖層上進行旋轉運動實現巖層的破碎，在進行作業的過程中，圍巖的不同對于盤形滾刀的破碎程度具有重要的影響。在軟巖層、破碎帶、斷層等不同的圍巖狀態下，盤形滾刀所面臨的工況也各不相同，此時，應依據不同的圍巖采取相應的措施，保證掘進的效率[1]。為進一步明確圍巖對盤形滾刀的影響作用，針對不同的圍巖因素對盤形滾刀的破碎效果進行分析，從而為完善掘進機的刀具提供參考。

1 盤形滾刀掘進數值模型的建立

盤形滾刀是進行掘進破碎的主要工具，對于較軟的地層，常采用雙刃盤形滾刀進行作業，而較為堅硬的地層，常采用單刃盤形滾刀。巖層的破碎主要分為三種不同的理論：一種是由于楔塊作用引起的剪切破壞；二是由楔塊作用產生的徑向裂縫的延展造成延時的表面破壞引起的破碎；三是由于盤形滾刀的擠壓造成巖層的剪切、擠壓及張拉破壞的綜合作用[2]。巖層主要的特性表現為非均勻性，強度具有一定的離散性，盤形滾刀在掘進過程中不是采用切割的方式，而是依靠液壓油缸的推力擠壓到巖石面上，在刀具旋轉的過程中，將刀尖推入到巖石中進行巖石的破碎[3]。

單刃盤形滾刀的破碎過程認為是在單刃刀頭作用于巖石后，刀頭下的巖層首先被壓碎，形成巖粉，隨著載荷的增加，刀頭下的破壞巖石繼續擠壓形成粉核體，并儲存有一定的能量，當能量積聚到一定的程度后，粉核體的能量發生釋放，并在其周邊形成初始的裂縫源。荷載的增加，使得初始的裂縫源逐漸擴展，一部分向著深向擴展形成徑向的裂縫，另一部分向著兩側擴展，形成側向的裂縫，當測量裂縫發展到自由表面時，形成碎塊體脫落，造成巖層的破碎，即完成破巖的過程[4]。對掘進過程進行分析，首先建立盤形滾刀及巖石的模型，將盤形滾刀破碎巖石的模型經過簡化建模如圖1 所示，采用常用的平刃滾刀進行模擬分析，巖層材料采用粉砂巖，設定單元尺寸為1 mm 進行網格劃分，由此進行掘進過程的仿真運算。

圖1 盤形滾刀掘進數值模型

2 盤形滾刀破巖因素的仿真分析

2.1 巖層圍壓的影響作用分析

巖層的應力狀態對于巖石的穩定性具有重要的影響，應力狀態對巖石的破壞規律具有一定的影響。巖層的圍壓影響巖石的應力狀態。在不同的圍壓下對破碎過程進行仿真分析，結果顯示在沒有圍壓時，巖層在盤形滾刀的擠壓下出現裂縫，由于沒有圍壓的限制，出現縱向的裂紋并貫穿巖石，將巖石破碎[5]；下頁圖2 中所示為在圍壓為20 MPa 時的巖層破碎情況，此時巖層的破碎效率較高，徑向的裂紋較少，裂紋向自由面擴展，較易于形成大塊的碎巖。當巖層圍壓繼續增加時，則會破壞巖石的自身結構，不利于掘進過程的進行。下頁圖3 中所示為在不同的圍壓下，側向裂紋的破碎單元在總的破碎單元中的占比，通過圖3 可以看出，在較低的圍壓時，隨著圍壓的增加，側向的裂紋占比增加顯著，但在圍壓達到一定數值后，側向裂紋的占比變化不大[6]。

圖2 圍壓壓力20 MPa 時的破壞形式

圖3 側向裂紋的占比隨圍巖壓力的變化曲線圖

2.2 巖層強度的影響作用分析

巖層由各種不同的礦物質組成，導致巖層的強度變化，并且隨著組成成分的不同，巖層呈現的性質也不同。在進行掘進的過程中，不同的地質條件可以簡略地分為軟巖、中巖及硬巖三種，分析不同強度下盤形滾刀的破碎效果。設定三種不同的巖層的參數如表1 所示，由此進行巖層的破碎分析。

表1 三組不同的巖層強度參數

通過仿真分析顯示，隨著巖層強度參數的變化，在相同的掘進條件下，裂紋的破碎量逐漸減少，裂紋的形成和擴展較慢，對巖石破碎作用較大的側向裂紋的數量逐漸減少。不同強度的巖層在相同的掘進條件下的加載步曲線變化如圖4 所示，圖中1、2、3分別代表軟巖層、中巖層及硬巖層。從圖4 中可以看出，軟巖層的破壞主要發生在載荷較低時，中巖層的破壞載荷相對較大，而硬巖層破碎的載荷最大。在進行巖層破碎的過程中，載荷的數值不斷呈現上下變化，不斷進行重復的加載和卸載過程實現巖層的破碎。

圖4 不同巖層強度的載荷-加載步曲線變化

3 結語

全斷面掘進是進行礦山開采、隧道施工的重要設備，可以進行快速高效的地下掘進。盤形滾刀作為掘進機破巖的主要工具，其破碎的效率對于掘進機的施工效率具有直接的影響。在地下掘進的過程中，圍巖的性質不同，對于掘進的效率具有重要的影響。針對掘進過程中，圍巖的不同造成的掘進效果的不同進行分析。掘進巖層的圍壓及強度對盤形滾刀的掘進效率及載荷具有重要的影響。采用仿真分析的方式對不同的圍壓及強度進行分析，結果表明，在較低的圍壓時，隨著圍壓的增加，側向的裂紋占比增加顯著，但在圍壓達到一定數值后，側向裂紋的占比變化不大；圍巖的強度越大，進行破碎所需要的載荷越大。在進行巖層的掘進時，應依據巖層的性質不同，合理選擇掘進的工具及參數，提高掘進的效率。