掘进机盘形滚刀破岩影响因素的分析

崔雅楠

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司， 山西 长治 046100）

引言

掘进机是进行矿山开采及隧道施工的重要设备，采用掘进机可以大幅提高掘进效率，并且具有安全、利于环境保护的特点。全断面的掘进机采用盘形滚刀的形式，通过将刀具挤压到岩层上进行旋转运动实现岩层的破碎，在进行作业的过程中，围岩的不同对于盘形滚刀的破碎程度具有重要的影响。在软岩层、破碎带、断层等不同的围岩状态下，盘形滚刀所面临的工况也各不相同，此时，应依据不同的围岩采取相应的措施，保证掘进的效率[1]。为进一步明确围岩对盘形滚刀的影响作用，针对不同的围岩因素对盘形滚刀的破碎效果进行分析，从而为完善掘进机的刀具提供参考。

1 盘形滚刀掘进数值模型的建立

盘形滚刀是进行掘进破碎的主要工具，对于较软的地层，常采用双刃盘形滚刀进行作业，而较为坚硬的地层，常采用单刃盘形滚刀。岩层的破碎主要分为三种不同的理论：一种是由于楔块作用引起的剪切破坏；二是由楔块作用产生的径向裂缝的延展造成延时的表面破坏引起的破碎；三是由于盘形滚刀的挤压造成岩层的剪切、挤压及张拉破坏的综合作用[2]。岩层主要的特性表现为非均匀性，强度具有一定的离散性，盘形滚刀在掘进过程中不是采用切割的方式，而是依靠液压油缸的推力挤压到岩石面上，在刀具旋转的过程中，将刀尖推入到岩石中进行岩石的破碎[3]。

单刃盘形滚刀的破碎过程认为是在单刃刀头作用于岩石后，刀头下的岩层首先被压碎，形成岩粉，随着载荷的增加，刀头下的破坏岩石继续挤压形成粉核体，并储存有一定的能量，当能量积聚到一定的程度后，粉核体的能量发生释放，并在其周边形成初始的裂缝源。荷载的增加，使得初始的裂缝源逐渐扩展，一部分向着深向扩展形成径向的裂缝，另一部分向着两侧扩展，形成侧向的裂缝，当测量裂缝发展到自由表面时，形成碎块体脱落，造成岩层的破碎，即完成破岩的过程[4]。对掘进过程进行分析，首先建立盘形滚刀及岩石的模型，将盘形滚刀破碎岩石的模型经过简化建模如图1 所示，采用常用的平刃滚刀进行模拟分析，岩层材料采用粉砂岩，设定单元尺寸为1 mm 进行网格划分，由此进行掘进过程的仿真运算。

图1 盘形滚刀掘进数值模型

2 盘形滚刀破岩因素的仿真分析

2.1 岩层围压的影响作用分析

岩层的应力状态对于岩石的稳定性具有重要的影响，应力状态对岩石的破坏规律具有一定的影响。岩层的围压影响岩石的应力状态。在不同的围压下对破碎过程进行仿真分析，结果显示在没有围压时，岩层在盘形滚刀的挤压下出现裂缝，由于没有围压的限制，出现纵向的裂纹并贯穿岩石，将岩石破碎[5]；下页图2 中所示为在围压为20 MPa 时的岩层破碎情况，此时岩层的破碎效率较高，径向的裂纹较少，裂纹向自由面扩展，较易于形成大块的碎岩。当岩层围压继续增加时，则会破坏岩石的自身结构，不利于掘进过程的进行。下页图3 中所示为在不同的围压下，侧向裂纹的破碎单元在总的破碎单元中的占比，通过图3 可以看出，在较低的围压时，随着围压的增加，侧向的裂纹占比增加显著，但在围压达到一定数值后，侧向裂纹的占比变化不大[6]。

图2 围压压力20 MPa 时的破坏形式

图3 侧向裂纹的占比随围岩压力的变化曲线图

2.2 岩层强度的影响作用分析

岩层由各种不同的矿物质组成，导致岩层的强度变化，并且随着组成成分的不同，岩层呈现的性质也不同。在进行掘进的过程中，不同的地质条件可以简略地分为软岩、中岩及硬岩三种，分析不同强度下盘形滚刀的破碎效果。设定三种不同的岩层的参数如表1 所示，由此进行岩层的破碎分析。

表1 三组不同的岩层强度参数

通过仿真分析显示，随着岩层强度参数的变化，在相同的掘进条件下，裂纹的破碎量逐渐减少，裂纹的形成和扩展较慢，对岩石破碎作用较大的侧向裂纹的数量逐渐减少。不同强度的岩层在相同的掘进条件下的加载步曲线变化如图4 所示，图中1、2、3分别代表软岩层、中岩层及硬岩层。从图4 中可以看出，软岩层的破坏主要发生在载荷较低时，中岩层的破坏载荷相对较大，而硬岩层破碎的载荷最大。在进行岩层破碎的过程中，载荷的数值不断呈现上下变化，不断进行重复的加载和卸载过程实现岩层的破碎。

图4 不同岩层强度的载荷-加载步曲线变化

3 结语

全断面掘进是进行矿山开采、隧道施工的重要设备，可以进行快速高效的地下掘进。盘形滚刀作为掘进机破岩的主要工具，其破碎的效率对于掘进机的施工效率具有直接的影响。在地下掘进的过程中，围岩的性质不同，对于掘进的效率具有重要的影响。针对掘进过程中，围岩的不同造成的掘进效果的不同进行分析。掘进岩层的围压及强度对盘形滚刀的掘进效率及载荷具有重要的影响。采用仿真分析的方式对不同的围压及强度进行分析，结果表明，在较低的围压时，随着围压的增加，侧向的裂纹占比增加显著，但在围压达到一定数值后，侧向裂纹的占比变化不大；围岩的强度越大，进行破碎所需要的载荷越大。在进行岩层的掘进时，应依据岩层的性质不同，合理选择掘进的工具及参数，提高掘进的效率。