文摘
岩石破碎效率的正面的岩石隧道掘进机(TBM)密切相关的性能盘形铣刀和岩体的特点。技术的角度,颗粒流代码(PFC)用于建立数值模型的岩体和盘形铣刀,盘形滚刀侵入岩石断面掘进过程的质量进行了分析。动态响应机制,裂纹演化过程作用下岩体的盘形铣刀微观力学的基础上,研究了岩体裂纹之间的关系,渗透,在入侵的盘形铣刀切削力。敏感性分析是进行围压条件下,盘形滚刀间距的影响参数。结果表明,岩石破坏的盘形铣刀进行压实的转换特性,剪切,张力失效模式,岩体的破坏过程是紧张和剪切的联合行动。在岩石破坏的整个过程中,盘形滚刀的现象重复装卸交替和跳跃的岩石断裂;后盘形铣刀的普及率达到9.0毫米,渗透咯吱声,开始出现在岩体表面;渗透是明显减少随着围压的增加,这主要是渗透表面裂缝;盘形铣刀后间距达到100.0毫米,没有穿透裂纹之间的两个圆盘刀具。研究结论可以为圆盘刀具优化设计提供参考。
1。介绍
全断面岩石隧道掘进机(TBM)已经被广泛应用于采矿工程、水利水电隧道、公路隧道、和其他项目。盘形滚刀,TBM的最前端,是TBM的一个重要组成部分,直接决定了是否能有效地打破岩石和围岩造成动态生成负载对岩体的破坏。为了更好的达到破坏效果,生成、传播、失效机理,和模式转换的岩石裂缝已成为一个热门话题,许多学者关注,并对如何优化具有重要意义的设计盘形铣刀高效岩石断裂(1- - - - - -5]。
盘形滚刀之间的交互和周围的岩石,岩石破碎机理的TBM盘形铣刀,前辈进行了相关的研究工作从理论分析的角度,室内线切割机床测试和数值模拟(6- - - - - -17]。然而,由于理论分析的假设的局限性,实验室检测费用高,动态观察裂纹扩展变化和困难,很难有效地分析盘形铣刀的岩石破碎机理和相互作用过程。数值软件已逐渐应用到科学研究由于其计算成本低,容易实时观测的状态,和多因素仿真实验18,19]。一些学者已经取得了一些研究成果运用离散介质力学方法(20.- - - - - -26]。奥纳·瑞杰克(27]分析了地质岩石切削的动态行为的离散单元法。口等。28,29日]做了一个全面研究岩石破裂模式,芯片形成过程,切削力和位移之间的关系。龚et al。30.]研究了模式作用下的盘形滚刀破岩的盘形滚刀侵入离散单元模型。香港et al。31日]颗粒流操作代码(PFC)建立rock-cutting模型,然后分析了影响不同的共同取向。月亮和哦(32)模拟了裂缝形成过程由multi-indenters PFC-2D研究最佳切削条件。崔和李33)采用PFC来模拟三维动态压裂岩石的失败。
失效机理而言,许多研究者提出了不同的解释,主要包括三种理论的剪切机理、张力机制、全面的作用机理。一些学者认为,这是一个复合剪切和拉伸失败。失败的过程1966年,毛雷尔34),安德拉和Gnirk35],Gnirk [36)透露,有剪切破坏和拉伸断裂时,盘形滚刀作用于岩石。1975年,草坪和Wilshaw [37)认为,脆性材料形成一块由于裂缝引起的拉伸作用下的硬度计压头。库克et al。38模拟岩石侵入过程的圆扁头通过一个二维对称线弹性有限元模型。
岩石破碎与TBM模拟盘铣刀,粒子的离散单元法侧重于分析材料的损伤与断裂机制视角的中尺度机制,可实现的数值实验和分析mesobrittle断裂机理和岩石材料的渐进破坏过程39]。在盘形铣刀的岩石破碎模拟,准确模拟裂纹生成和传播过程的揭示岩石破碎机理尤为重要。现有的模拟研究主要使用塑性区发展的而不是岩石裂纹范围(7,40- - - - - -44),不能真正反映径向和纵向裂缝的生成和传播之间的分离过程和岩石薄片圆盘刀具后压制成岩石。摘要颗粒流代码(PFC) (45),可以更好地模拟岩石的裂纹扩展(身体),采用。基于岩石破碎机理的研究和分析TBM的盘形滚刀,岩体的动力响应机制作用下的TBM圆盘刀具由颗粒离散单元法研究mesopoint的观点。和围压的影响条件下,盘形滚刀在岩石裂缝间距属性、数量、盘形铣刀的反应力,岩石破碎效果,等等,进一步模拟和分析。研究结果可以为TBM选型提供参考和盘形滚刀设计。
2。岩石参数校准
作为一个基于不连续介质的数值模拟方法的理论和技术,颗粒离散单元法可以模拟岩石材料的破坏机理从技术的角度,同时反映了micro-mesostructure特点和macromechanical材料的行为。颗粒流模拟物理样机的方法主要是通过定义完成mesoparameters和macroboundary粒子结合的条件。然而,它mesoparameters一般不能直接和单连通的宏观岩石的物理力学参数。由多个mesoparameters宏观参数的影响。目前,它是不可能推断出准确的定量关系宏观参数和mesoparameters从理论视角。与此同时,很难直接测量mesoparameters通过实验室或现场测试。因此,有必要调整mesoparameters。一般来说,单轴压缩和巴西分裂测试可以用来确定的宏观参数描述岩石力学行为,主要包括单轴抗压强度 ,抗拉强度 ,弹性模量 ,和泊松比 。
校准使用单轴压缩和巴西将测试的结果的大理石(直径×高度:50 mm×100毫米和50毫米×25毫米,分别)。大理石的macrophysical和机械参数在实验室测试如表所示1,mesomechanical校准颗粒流模型参数如表所示2。最大和最小粒子半径比(R马克斯/R最小值)是2.0,最小粒子半径是1.2毫米。图1显示了应力-应变曲线和岩石样本的失败下的单轴压缩和巴西分割测试相应的mesoparameters。从图可以看出,在单轴压缩岩石样本数值测试有一个锥形分裂失败,而岩石样品在巴西分裂数值测试中心裂纹穿透失败。应力-应变曲线形状,失败和峰值强度都与实验室检测结果一致。校准参数可以用来分析盘形铣刀的岩石破碎机理。
(一)
(b)
3所示。模拟TBM圆盘刀具的破岩
3.1。结果和分析
岩石破坏过程中,盘形铣刀环接触岩石,岩石是渗透通过铣头的压力,和裂缝生成实现岩石破坏的目的。采用常用的17英寸盘形铣刀,墙上的组合是用来模拟盘形铣刀戒指,和模型宽200.0毫米,100.0毫米高。通过伺服机制的上部和下部的墙壁,执行预压固结模拟岩体的自然形成过程。左,右,和底部的样本都是严格限制岩体的位移约束。稳定后,刚性墙顶部删除和压力释放,这是符合现场TBM隧道条件(46]。盘形滚刀的入侵速度设置为0.5毫米/秒,最后渗透到15.0毫米,宏观和琐碎的岩石样本被记录在整个入侵过程。图2显示裂纹的生成和扩展过程和岩石破裂推力的作用下在不同的渗透深度。
(一)
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(f)
从图可以看出,当圆盘刀具可以穿透1.0毫米,微裂隙产生圆盘刀具。盘形铣刀穿透3.0毫米时,压应力集中是由于明显的挤压效应的盘形铣刀岩体,和盘形铣刀的微裂隙开始形成穿透直径和横向裂缝。穿透6.0毫米时,岩体不断挤压破碎,裂缝开始形成。这种骨折不能达到岩石的剥落,但它是一个不可避免的过程为盘形铣刀按成岩石。在9.0毫米,半圆形的塑料圆盘刀具故障区形成,和一个横向裂纹逐渐扩展的一部分,和微裂隙形成表面的岩石没有圆盘刀具的作用,这与岩石表面相交形成裂纹。在12.0毫米,大的完整岩石碎片两侧的盘形铣刀分开的岩体,开始脱落。随着渗透率的增加,故障区域的增加趋势减缓15.0毫米,但径向和横向裂缝仍在一定程度上扩大。总之,渗透为12.0毫米后,裂纹扩展通过增加渗透效果不明显。
盘形滚刀的垂直力的变化在渗透如图3。在初始阶段的渗透、盘形铣刀的垂直力增加近线性随着渗透率的增加。当普及率达到1.0毫米,垂直力突然下降,和盘形铣刀开始卸载。然而,垂直力上下波动在整个渗透表明,盘形铣刀一再装卸的交替状态,和跳跃前进的岩石破碎现象所示的实际过程。主要原因是挤压和垂直力的作用下发生崩溃,和电阻突然降低。当圆盘刀具继续渗透,岩石颗粒继续剥离在叶片的前端,和一个体积小的岩石碎片掉出来,结果在一个小范围的波动的垂直切削力。在垂直力曲线,曲线的上升阶段表明,盘形铣刀穿透岩石质量,和盘形铣刀与穿透深度的增加持续上升。同时,岩石样本逐渐形成破碎区,微裂隙,宏观裂纹和渗透。当宏观裂缝渗透形成岩体的岩石碎片和分开,它会导致刀具的“空洞”现象,圆盘刀具力急剧下降,和一个“飞跃”岩石的断裂发生。连续小规模解体后,盘形滚刀和岩石之间的接触面积逐渐增加,直到达到宽屏接触,和另一个大崩溃发生。 Therefore, the process of the disc cutter intruding into the rock is a continuous cycle composed of several small collapses and one large collapse, which leads to the leap forward crushing of the rock under the action of the disc cutter.
3.2。讨论Mesomechanism岩石破坏的盘形铣刀
与其他数值方法相比,PFC mesocharacteristics分析中具有独特的优势。它可以监视mesoforce场和微裂隙的发展和演变过程的过程中实时岩石变形和破坏,可以揭示岩石的mesomechanism圆盘形的盘形铣刀打破。
微裂隙的数量的变化在入侵的圆盘刀具图所示4。在最初的渗透,盘形滚刀下的压缩的主要结果是致密核心的形成。与此同时,裂缝的数量很小。与渗透负荷的增加,微裂隙急剧上升。在一定时期内,裂缝增加跳跃,和跳跃现象的增长越来越明显的后期的渗透,表明裂缝迅速扩张形成大量破碎岩石的块的过程中岩石断裂。拉伸和剪切裂缝出现在盘形铣刀的岩石破碎过程,表明这个过程是紧张和剪切的联合失效模式。剪切裂缝的数量总是大于拉伸裂缝,最后剪切微裂隙数量的近5倍拉伸微裂隙。整个钻井过程是由剪切微裂隙。
图5显示了拉伸和剪切裂缝的分布特征的过程中岩体破裂。红色代表拉伸裂缝,黑色代表剪切裂缝。同时拉伸和剪切裂缝出现在故障区域在盘形铣刀的边缘,与更多的剪切裂缝和更少的拉伸裂缝。向下连续载荷作用下,裂纹逐渐扩展,然后,盘形滚刀下的拉伸和剪切裂缝裂缝迅速增加,形成一个集中失败粉核心区域。裂缝远离圆盘刀具主要是剪切裂缝,类似于单轴压缩,表明岩石破碎过程中的剪切作用占主导地位的传播和发展裂缝,最终导致岩体深的失败和大岩渣的生成。岩石破坏的盘形铣刀进行压实的转换特性,剪切和拉伸断裂模式。
4所示。影响参数的敏感性分析
4.1。不同围压
围压条件影响裂缝的生成和传播,导致不同的断裂模式,然后宏观上影响盘形铣刀的岩石破碎效果。探索岩石破碎机理及其影响岩石破碎效果不同埋藏深度下,颗粒流模拟单盘形滚刀侵入裂隙岩体进行了不同围压下。封闭压力设置为0.0,10.0,20.0,30.0,和40.0 MPa,分别。
如图6,当围压较低时,纵向裂缝发展显然和发展深入岩体,岩体的损伤深度相对较大,横向裂缝的发展并不是很明显,主要表现在刀盘周围的岩体的断裂。随着围压的增加,纵向裂纹扩展是克制的,主要是横向裂缝,岩体的损伤深度很小,和横向裂缝传播明显,逐步渗透形成大块脱落。虽然高围压不利于纵向裂缝的发展,更有利于横向裂缝的发展。自由表面的裂纹逐渐扩展的岩体和容易相交产生的裂缝岩石碎片相邻圆盘刀具产生剥落了。然而,径向裂纹扩展深度很小,和整体岩石破碎效果并不理想。
(一)
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(c)
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微裂隙的数量在围压如图7。围压下的裂缝数量低于无围压下。随着围压的增加,裂缝的数量逐渐减少。围压下的盘形铣刀的垂直力如图8。随着围压的增加,圆盘刀具力逐渐增加。这意味着围压会限制裂缝的传播。很难打破围压条件下岩石比无围压和难度增加随着围压的增加。围压的增加会抑制边缘裂纹的起始和中间裂纹的传播破碎区,与此同时,岩石破坏的深度会降低,这是一致的结论得到刘et al。29日通过理论推导和实验。
合成的岩石破碎模式盘形滚刀在不同围压下,它可以获得裂纹扩展具有以下特点:(1)与围压的增加,破碎带的深度下的盘形铣刀变得小得多,也就是说,地壳应力的增加将减少盘形铣刀的穿透深度相同的盘形铣刀的力量;(2)围压的存在抑制了纵向传播的中心裂纹,这有利于横向裂纹的传播;(3)随着围压的增加,破碎带的深度和面积减少,和微裂隙的比例减少。
4.2。滚刀间距
合理的盘形铣刀间距中发挥着重要作用改善盘形铣刀头的岩石破碎能力和延长盘形铣刀的使用寿命。在工程中,盘形铣刀铣头的间距一般60.0∼120.0毫米。在本节中,双圆盘刀具的研究方法入侵岩石样本同时用于分析圆盘刀之间的距离的影响岩石破碎过程的数值模拟。
当圆盘刀之间的距离很小,加载能量导致圆盘刀具边缘之间的岩石被打破,和裂纹扩展机制没有充分利用,导致破碎效率低(见图9(一个))。当刀间距逐渐增加但小于100.0毫米,岩体的损伤与断裂之间的滚铣刀将导致裂纹穿透在一定的深度和形成片状岩石压舱物(见图9 (c))。岩石压舱物的大小随圆盘刀间距的增加。盘形铣刀间距为120.0毫米时,造成的损害相邻盘刀具没有导致裂纹穿透,和岩石中间的圆盘刀具形式一个孤立的岩石山脊(见图9 (d))。
(一)
(b)
(c)
(d)
裂缝的数量在不同刀间距如图10。裂缝的数量增加,然后下降盘形铣刀间距时从60.0毫米到120.0毫米。裂缝的数量是最大的,当间距为80.0毫米。因此,如果圆盘刀间距太大,相邻之间的交互圆盘刀具不能充分的利用。在切割的过程中,有一个最佳的盘形铣刀间距,使切割圆盘刀具的具体能耗最低。当圆盘刀具根据这个安排最佳的盘形铣刀间距,以盘形铣刀间隔一个适当的值将获得更高的切削效率。
从图可以看出,在一定范围内,岩石的破碎压载圆盘刀间距的增加而增加。当圆盘刀之间的距离很小,很大一部分的岩石之间的两个圆盘刀具仍在破碎区,和圆盘刀具的岩石破碎能量未能破坏很深的岩石,但在很大程度上转变为岩石的破碎能量在中间。当圆盘刀具间距太大,裂缝造成的损害由一个圆盘刀具可能很难扩展到1/2的盘形铣刀间距,导致岩石,虽然中间的圆盘刀具的趋势形成块状岩压舱物,一些岩石不破,不能完全脱离母岩。因此,如果圆盘刀间距太大,相邻之间的交互圆盘刀具不能充分的利用。
5。结论
是得出以下结论:(1)同时拉伸和剪切裂缝出现在故障区域在盘形铣刀的边缘,与更多的剪切裂缝和更少的拉伸裂缝。岩石破坏的盘形铣刀进行压实的转换特性,剪切和拉伸断裂模式。岩体的破坏过程是紧张和剪切的联合行动。(2)在初始阶段的渗透、盘形铣刀的垂直力增加近线性随着渗透率的增加。普及率达到1.0毫米时,垂直力突然下降,盘形铣刀开始卸货,圆盘刀具重复装卸交替和岩石破坏了跳跃。(3)后盘形铣刀的普及率达到9.0毫米,渗透裂缝开始出现在岩石的表面质量,完整岩石的块分离,落石块形成。(4)随着围压的增加,渗透率显著降低,主要表现为表面裂缝渗透。围压的增加会抑制裂纹的起始的边缘破碎区和中间裂纹的传播,与此同时,钻井深度会减少。(5)盘形铣刀后间距达到100.0毫米,没有渗透裂缝之间的两个圆盘刀具,和岩石中间的圆盘刀具形式一个孤立的岩石山脊。如果盘形铣刀间距太大,相邻之间的交互圆盘刀具不能充分的利用。
数据可用性
数据用于支持本研究的结果都包含在这篇文章中,可以提供相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关这项研究的出版物。
确认
这项工作是由基础研究基金支持中央大学(项目没有。频- tp - 20 - 043 - a1),国家重点实验室开放研究基金项目的Hydroscience和工程(项目没有。sklhse - 2021 c - 04),华能集团总部的科技项目(项目号HNKJ19-H15)。发表在开放获取成本的资金。