预切缝位置及深度对SBM滚刀破岩的影响

• Published in: 煤炭学报 Vol. 49; no. 1; pp. 415 - 425
• Main Authors: 杨仁树, 康一强, 杨立云, 刘康, 丁晨曦, 樊谨豪
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 中国矿业大学(北京) 力学与土木工程学院,北京 100083 2024; 北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083%中国矿业大学(北京) 力学与土木工程学院,北京 100083%北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083
• Subjects: pre-cutting kerfs; 分形维数; rock breaking by cutters; fractal dimension; 竖井全断面掘进机; 预切缝; shaft boring machine(SBM); 滚刀破岩
• ISSN: 0253-9993
• DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2023.1286

TD421.5; 利用水射流对岩体进行预切缝是提高竖井全断面掘进机破岩效率、实现深部资源机械化开发的关键技术.针对预切缝位置及深度合理参数选取的难题,首先指出了锥面刀盘带动下滚刀破岩的工况特征,进而基于Cohesive单元方法,建立了预切缝条件下的滚刀破岩离散-连续耦合数值模型.以完整岩体为对照组,对比分析了不同预切缝距离和深度对滚刀破岩的受力特征和岩石破碎特征的影响规律.阐述了预切缝条件下,滚刀破岩时密实核形成、块状岩渣形成、Hertz裂纹扩展 3个阶段性特征,指出了岩体的非对称破碎特性和不同区域岩渣的形成机制.最终从滚刀受力、破岩面积、破岩比能耗、岩渣破碎程度 4个方面综合分析,确定了预切缝的最佳距离和深度取值范围.研究结果表明:预切缝可以显著减小竖井全断面掘进机滚刀破岩过程中的贯入力和侧向力.与完整岩体相比,贯入力峰值降低了 44.0%～10.3%.侧向力峰值降低了 35.2%～6.5%.预切缝间距及深度较小时,会限制滚刀破岩范围,同时使得破碎岩体块度更小,导致破岩比能耗增高.随着预切缝深度的增大,破岩体积先增大后趋于稳定,比能耗先减小后保持不变.最终,确定了切缝距离为 70～90 mm,深度为 60～80 mm时破岩效果最佳,破岩体积较无切缝时提高约1倍,破岩比能耗降低69.2%.研究结果为刀盘辅助破岩装备的设计及参数确定提供了参考.