不同围压与节理特征下盘形滚刀破岩数值研究

不同围压与节理特征下盘形滚刀破岩数值研究

谭青;张旭辉;夏毅敏;朱逸;易念恩;张佳

【摘要】为了研究围压、节理特征对盘形滚刀破岩的影响,采用颗粒离散元法建立了不同围压、节理特征下的盘形滚刀破岩模型并进行数值仿真,研究不同围压与节理特征下对应的破碎模式、破岩比能耗和裂纹数目.研究表明:盘形滚刀破岩时,随着围压与节理特征的变化,会呈现4种破碎模式;其中当围压为50 MPa,节理间距小于60 mm以及节理倾角在30°附近时呈围压促进破碎模式,该破碎模式类似于岩爆,破岩比能耗极低;当围压和节理间距一定时,比能耗随着节理倾角的增大先减小后增大,且在30°时取得最小值;当围压和节理倾角一定时,比能耗随着节理间距的增大而增大;当节理间距一定时,节理倾角在0°,90°附近时,比能耗随着围压的增大而增大.而当节理倾角在15° ～75°时,比能耗随围压由1 MPa增加到25 MPa时而增大,由25 MPa增加到50 MPa时而减小;另外,破碎模式、比能耗和裂纹数目三者关系密切,其中比能耗和裂纹数目之间的变化趋势相反.

【期刊名称】《煤炭学报》

【年(卷),期】2014(039)007

【总页数】9页(P1220-1228)

【关键词】盘形滚刀;围压;节理间距;节理倾角;破碎模式;比能耗;裂纹数目

【作者】谭青;张旭辉;夏毅敏;朱逸;易念恩;张佳

【作者单位】中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高

性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;湘潭大学机械工程学院,湖南湘潭411105

【正文语种】中文

【中图分类】TP391.9;U455.3

全断面隧道掘进机(TBM)已经广泛使用于地下空间的隧道掘进工程中,而TBM盘形滚刀破岩又是掘进过程中的核心内容,因此对盘形滚刀破岩的研究显得极为重要。盘形滚刀破岩过程中,地质条件是极其复杂的,如围压、节理、岩溶等[1-3],这些地质因素对盘形滚刀破岩必然有较大的影响。Chen L H等[4]通过实验研究得出了当围压达到一个临界值时,裂纹的扩展就会受到限制,且围压的改变对刀具的贯入力影响不大的结论。张魁等[5]利用UDEC软件模拟了在不同围压的作用下盘形滚刀破岩过程,研究了围压和最优刀间距之间的关系。Ma H S等[6]利用RFPA软件研究了不同围压对盘形滚刀破岩的影响,得到了围压的改变会改变裂纹扩展方向、有效裂纹长度等结论。孙金山等[7]利用PFC2D软件研究了节理强度等对TBM滚刀破岩的影响,得到了较好的结论。Bejari H等[8]利用UDEC软件研究了节理间距和节理倾角对单刀破岩的影响,研究表明节理间距增大会减小刀具的切入率,节理倾角在25°～30°时最有利于刀具破岩。刘红岩等[9]通过实验研究了节理对岩石的破坏模式、单轴抗压强度、弹性模量的影响。Ghazvinian A等[10]通过实验研究表明岩石的强度随围压增大而增大,岩石强度随节理倾角的增大先增大后减小,其中节理倾角为45°时岩石强度最小。这些研究成果对于研究不同围压、节理特征下的盘形滚刀破岩具有很大的参考价值。在此基础上,本文借助于PFC2D离散元软件对在不同围压、节理特征下的盘形滚刀破岩进行了数值模拟,研究围压和节理特征对盘形滚

刀破岩的影响,为数值模拟技术在刀具破岩研究中的应用提供参考。

1.1 岩石试样宏细观参数的确定

锦屏二级水电站地层中主要以大理岩和花岗岩等硬岩为主,这类硬岩石单轴抗压强

度普遍在100 MPa左右,属于较高强度岩石地层,选择该地层的某一硬岩为研究对象,其岩石试样的宏观力学参数见表1。

岩石试样的细观力学参数一般是通过模拟单轴压缩、巴西劈裂和直剪等数值实验进行反复标定,不断去匹配岩石试样的宏观力学参数得到的。设定岩石试样数值模型

的最大和最小颗粒半径之比为1.66,颗粒的最小半径取0.8 mm;颗粒密度ρ= 3

375 kg/m3,由于岩石试样存在空隙率,所以颗粒密度大于岩石试样的宏观密度;选用接触黏结模型[11]来模拟颗粒之间的接触方式。单轴压缩数值试验岩石试样尺寸为100 mm×50 mm,如图1(a)所示,上下两道墙体为加载压盘模拟压缩实验时用的加载板,赋予上下墙一定的速度来给试样进行加载;巴西劈裂数值试验岩石试样的直径

为50 mm,如图1(b)所示,通过给两侧墙一个缓慢的速度来给圆盘加载,直至圆盘发

生破裂;直剪数值试验尺寸为100 mm×100 mm,如图1(c)所示,通过伺服加压程序给上下墙体施加不同恒定的正应力,下剪切盒固定,上剪切盒以恒定的速度进行剪切。经过上述不断标定选取合适的细观参数可得到岩石试样在PFC2D中的细观参数见表2。

1.2 岩石试样节理参数的确定

在PFC2D软件中,节理是在先生成岩石试样以后再通过jset命令设置的。通过定

位设置指定某一平面两侧的颗粒间的接触处,将此接触处两侧的颗粒接触强度以及

摩擦因数重新设定,即可在岩石试样中形成节理。为了研究节理力学特性,通过

PFC2D内置FISH语言建立直剪数值试验模型。节理直剪试验模型如图2所示,由

刚性墙体组成上下2个剪切盒,其中位于下方的剪切盒固定,位于上方的剪切盒可以按照设定的速度向左移动,对试样进行剪切。模型试样的上下墙通过伺服加压程序,

可以设定不同的正应力,如图2所示的上下墙上的箭头。试验时记录剪切过程中的

剪切应力和剪切位移。模型所剪岩石试样尺寸为100 mm×100 mm,在其中间位

置水平方向设置一连通节理。

岩石试样采用的细观参数见表2,通过jset命令生成节理后,节理处颗粒的细观参数

被重新赋值,其中节理处颗粒的黏结强度取50 kPa,摩擦因数取0.15。在不同的法

向应力作用下进行数值直剪数值试验,得到剪切应力与剪切位移的关系,如图3所示。提取数值直剪试验中得到的峰值剪切应力,可得其与法向应力的关系,当法向应力为0.1,1.0,1.5, 2.0,2.5 MPa时,峰值剪切应力分别为9.05,9.62, 10.2,10.8,11.4MPa,

并根据上面的数据拟合得其关系如图4所示。从图中可知该节理的黏聚力和内摩

擦角分别为8.45 MPa和50°。

1.3 盘形滚刀破岩模型

盘形滚刀在破岩过程中,一方面由于切向摩擦力的作用,盘形滚刀绕自身中心自转,另一方面盘形滚刀受法向推力侵入岩体,沿法向方向不断贯入。而就裂纹的产生和扩

展而言,主要是由法向推力主导的。本文主要研究法向推力对破岩的影响,从而将三

维的滚压问题简化为二维的侵入问题。苏利军等[12-14]通过研究表明将盘形滚刀

破岩过程简化成二维平面问题是可行的。

如图5所示岩石试样尺寸为300 mm×160 mm,赋予表2细观参数后随机生成,模

型生成后赋予上述节理细观参数产生节理。

岩石试样中节理倾角定义为节理与x轴的夹角α,节理间距定义为两节理之间的法

向长度s。盘形滚刀刀刃宽度为10 mm,过渡圆弧半径为4 mm,刀刃角为20°,盘形滚刀由墙构成,由于只研究盘形滚刀对岩石破坏的影响而不研究其他因素对盘形滚

刀的影响,所以将盘形滚刀看作刚体,破岩过程中不发生变形。盘形滚刀在破岩过程中,岩石试样处于围压的环境下(图5中左右两侧的箭头代表围压),盘形滚刀与岩石

试样的接触处周围是自由无约束的,即岩石试样上侧为自由面,而岩石试样的左右两