巷道掘進運動過程破巖力影響因素研究分析

趙 越

（晉能控股集團晉華宮礦， 山西 大同 037000）

我國的地下煤炭儲量豐富，為我國經濟發展提供了重要的動力保障。在地下煤炭的開采過程中，巷道的掘進是首要工作。隨著機械裝備技術的發展，全斷面掘進成為對硬質巖層進行掘進開采的主要方式[1]，具有掘進效率高、施工安全等優點。但目前對全斷面掘進理論的研究較少，特別是缺乏對掘進過程中破巖力的影響因素的研究，因此難以針對性地提高破巖力[2]，因而無法提高掘進效率。針對這一問題，采用數值模擬的形式，對掘進過程中不同因素對破壓力的影響作用進行研究，以達到有效提高破巖力，提高巷道掘進效率的目的。

1 巷道掘進破巖離散元模型的建立

在巷道掘進施工的過程中，刀具破巖是掘進過程的關鍵，刀具的轉速、貫入度等不同均會對刀具的破巖造成不同的影響，不合理的設置會造成刀具破巖困難、施工緩慢，甚至造成刀具的磨損及破壞，需要頻繁的更換刀具[3]，降低掘進的效率。針對掘進過程中貫入度、滾刀轉速及巖石的強度三種工藝參數對破巖力的影響進行分析，首先應建立掘進破巖的離散元模型。

離散元法是解決不連續介質數值分析的方法，利用PFC 軟件從微觀結構的角度對介質的力學特性及行為進行分析，該法適用于硬質巖層的破壞分析。PFC 軟件具有基于三維球體的三維接觸進行分析介質的宏觀力學性質[4]。顆粒流模型由圓盤及圓球顆粒組成，通過剛性約束來模擬相互間的接觸力。采用三維軟件建立實體的幾何模型，可直接在PFC3D中導入，從而可以簡化在PFC 中建模的步驟[5]。選取刀盤的全部滾刀，在PFC 軟件中采用剛性墻體模擬滾刀，滾刀模型直徑為432 mm，刀刃寬度為19 mm，建立滾刀進行破巖的模型，具體如圖1 所示。

圖1 滾刀破巖模型

2 不同影響因素對破巖力的影響分析

在掘進過程中，滾刀進行破巖的過程可以描述為：滾刀的刀刃與巖層接觸后，受到刀刃的擠壓作用，巖層首先發生彈性變形，隨著擠壓過程的持續進行，刀刃侵入巖層的深度逐漸增加，而在超越其彈性極限后，巖層發生塑性變形[6]，使得位于刀刃位置處的巖層產生破碎，破碎區繼續受到滾刀的擠壓作用，形成密實核，從而將滾刀的擠壓作用向下進行傳遞，形成巖層的裂紋，裂紋的擴散與巖層自身的節理相匯[7]，形成巖層的破碎，從而完成掘進過程的破巖。在擠壓破巖的過程中，掘進中的貫入度、刀盤轉速及巖層強度三個工藝參數[8]對破巖力的大小具有重要的影響，分別對其影響作用進行模擬分析。

2.1 貫入度對破巖力的影響分析

對掘進工藝參數貫入度的影響作用進行分析，選擇掘進過程中的貫入度分別為5 mm、10 mm 及15 mm，假定模擬的巖層為均質巖層，不考慮節理的發育過程，設定砂巖強度為27.7 MPa，刀盤的轉速為6 r/min，在不同的貫入度下對刀盤進行破巖模擬，統計過程中刀盤的推力及扭矩值的平均值[9]，并作圖得到如下頁圖2 所示的不同貫入度下的刀盤推力及扭矩變化曲線。

圖2 刀盤推力及扭矩隨貫入度的變化曲線

從圖2 中可以看出，隨著貫入度的增加，刀盤受到的推力及扭矩呈現明顯的增加趨勢。貫入度增加，刀盤進行破巖過程中刀刃切入巖石的深度增加，則在破巖過程中受到的阻力更大，刀盤的推力及扭矩隨之增加[10]。貫入度的增加會導致刀刃與巖層的接觸角增加，滾刀垂直方向的推力及滾動力隨之增加。貫入度的增加，刀盤受到的推力及扭矩增加，則掘進過程中的破巖力增加。

2.2 刀盤轉速對破巖力的影響分析

對掘進工藝參數刀盤轉速的影響作用進行分析，選擇掘進過程中的刀盤轉速分別為3 r/min、6 r/min及9 r/min，假定模擬的巖層為均質巖層，不考慮節理的發育過程，設定砂巖強度為27.7MPa，貫入度為10mm，在不同的刀盤轉速下對刀盤進行破巖模擬[11]，統計過程中刀盤的推力及扭矩值的平均值，并作圖得到如圖3 所示的不同刀盤轉速下的刀盤推力及扭矩變化曲線。

圖3 刀盤推力及扭矩隨刀盤轉速的變化曲線

從圖3 中可以看出，隨著刀盤轉速的增加，刀盤受到的推力及扭矩呈現明顯的增加趨勢。刀盤轉速直接影響刀具進行破巖的速度，對掘進效率有重要的影響。刀盤轉速增加，在單位時間內進行切割破碎的巖層越多，因而需要更多的能量；刀盤的轉速越大，進行破巖的速度越快，單位時間內進行巖層裂紋的形成與擴散速度越快，油缸在單位時間內可提供更多的能量用于擠壓巖層。刀盤轉速的增加，刀盤受到的推力及扭矩增加，則掘進過程中的破巖力增加。

2.3 巖層強度對破巖力的影響分析

掘進過程中需依據巖層的不同強度對掘進的工藝參數進行合理的設定，從而滿足掘進的需求，針對巖層的強度對破巖力的影響作用分析，假定模擬的巖層為均質巖層，不考慮節理的發育過程，設定貫入度為10 mm，刀盤轉速為6 r/min，設定巖層的強度為逐漸增加的三種地層，其強度分別為上段泥巖10.4 MPa、中段砂巖27.7 MPa 及下段砂巖55 MPa，在不同的巖層強度下對刀盤進行破巖模擬，統計過程中刀盤的推力及扭矩值的平均值[12]，并作圖得到如圖4 所示的不同巖層強度下的刀盤推力及扭矩變化曲線。

圖4 刀盤推力及扭矩隨巖層強度的變化曲線

從圖4 中可以看出，隨著巖層強度的增加，刀盤受到的推力及扭矩近似呈線性增加的趨勢。隨著巖層強度的增加，巖石性能提高，越難將其破碎，這時滾刀破巖的侵入過程較難進行。隨著巖層強度的增加，刀盤受到的推力及扭矩需要更高的能量進行破巖，且呈線性增加的趨勢。巖層強度的增加，刀盤受到的推力及扭矩呈線性增加，則掘進過程中的破巖力增加。

3 結論

1）隨著貫入度及刀盤轉速的增加，刀盤的推力及扭矩隨之增加，破巖力增加；

2）隨著巖層強度的增加，刀盤的推力及扭矩呈線性增加的趨勢，破巖力呈線性增加的趨勢；

3）在進行工藝參數的選擇時，要結合巖層的強度，合理設定刀盤掘進的貫入度及轉速，保證刀具的使用壽命，提高掘進的效率。