基于侵入试验的单齿破岩机理及齿形优化研究_马洪素.pdf

第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023基于侵入试验的单齿破岩机理及齿形优化研究马洪素1，2，殷丽君3，王春萍1，2，陈亮1，2，赵星光1，2(1 核工业北京地质研究院 环境工程研究所，北京 100029;2 国家原子能机构高放废物地质处置创新中心，北京 100029;3 北京工业大学 城市防灾与减灾教育部重点实验室，北京 100124)摘要:齿形是影响镶齿滚刀破岩效率的关键因素。本文通过单齿侵入破岩试验对 4 种刀齿(镐形齿、锥形齿、楔形齿和球形齿)的破岩机理及硬岩破岩齿形优化等相关问题进行探讨，研究不同齿形侵入岩体过程中的破岩特征、加载力 侵深曲线特征以及对侵深、破碎体积、破碎坑半径、破岩岩屑分布特征的影响规律。通过分形理论评估破岩效果，从而达到优化齿形及加载力的目的。结果表明:随加载力增大，齿形对侵深、破碎体积、破碎坑半径等破岩效果指标的影响差异随之增大;破碎岩屑在粒度上具有分形特征，通过破碎分形维数并结合破碎体积等指标可以评估破碎效果，优化齿形及加载力;针对花岗岩类岩石，镐形齿所获得的破碎分形维数最低，破碎体积、破碎坑半径、侵深最大，可优选为花岗岩类硬岩中镶齿滚刀的齿形，并推荐100 kN 为镐形齿优化加载力。关键词:破岩机理;侵入试验;破碎分形维数;齿型优化;花岗岩中图分类号:TU452文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0495-09Study on ock Fragmentation Mechanism under Single Tooth andShape Optimization by Indentation TestMa Hongsu1，2，Yin Lijun3，Wang Chunping1，2，Chen Liang1，2，Zhao Xingguang1，2(1 Division of Environmental Engineering，Beijing esearch Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，P China;2 CAEA Innovation Center for Geological Disposal of High-Level adioactive Waste，Beijing 100029，P China;3 Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education，Beijing University of Technology，Beijing 1000124，P China)Abstract:Tooth shape is one of the key parameters influencing fragmentation efficiency of the toothed cutterIn this paper，the indentation tests of picked tooth，conical tooth，wedge tooth as well as spherical tooth wereconducted，and then the issues on fragmentation mechanism by different teeth and optimization of tooth shape wereinvestigated The influence of tooth shape and loading force on the characteristics of loading force-penetration curve，penetration depth，fragments volume，radius of the fragmentation crater as well as the distribution characteristics offragments were discussed Then，the fragmentation fractal theory was adopted to optimize the tooth shape and loadingforce The research results show that:with the increase of loading force，the influence of tooth shape on rockfragmentation indicators such as penetration depth，fragments volume and fragmentation crater radius increasesaccordingly;the fragments present fractal characteristics in particle size，and the fragmentation effect can beevaluated by combining the fragmentation fractal dimension with the fragments volume and other indicators;for graniterocks，the fragmentation fractal dimension induced by the picked tooth is the lowest，and the fragments volume，fragmentation crater radius and penetration depth are the largest，thus the pick tooth is suggested to be used forexcavation of hard rocks，and 100 kN is selected as the optimized loading force收稿日期:2022-11-01(修改稿)作者简介:马洪素(1982)，女，河北衡水人，博士，高级工程师，主要从事高放废物地质处置工程、地下工程施工技术等领域的科研工作。Email:mahongsu2012 163com基金项目:核设施退役治理专项资助科研项目(科工二司 2020 194 号)Keywords:rock fragmentation mechanism;indentation test;fragmentation fractal dimension;optimizationof tooth shape;granite0引言刀齿是岩石掘进机镶齿盘型滚刀、反井钻机镶齿滚刀等机械破岩刀具的关键构件，其齿形是影响刀具破岩效率的关键因素1。目前我国在水电、铁路、矿山、高放废物处置地下实验室等地下工程建设中频繁遭遇完整硬岩地层，面临破岩效率低、刀具磨损快等难题2。本研究依托北山地下实验室工程项目，该工程岩体为花岗岩，2 条直径 3 m、深 560 m 的通风井拟采用反井钻机进行施工。由于不同的刀齿将对岩石的破坏产生不同的作用效果，因此单齿破岩机理是进行滚刀优化设计的基础。开展不同齿形破岩机理及优化刀齿选型研究将有助于提高硬岩地层破岩效果。滚刀上常用的镶齿有球形齿、锥形齿、楔形齿、镐形齿、柱形齿等1，3，国内外学者针对单齿破岩机理开展了广泛研究。在室内试验方面，侵入试验在破岩机理研究中作为一种重要的试验手段，被许多学者及设备制造商推荐采用1，4-11。通过这一试验可对破岩机理、载荷 侵深曲线特征、侵深与破碎量的对应关系等相关问题进行探讨4-5。Lawn等6 研究了楔形、圆柱形、球形等不同形状的刀头弹性接触作用下的压力分布。Cook 等7 针对圆柱形压头侵入岩石试样过程的应力状态进行研究，将侵入加载过程分为建立应力场、形成压碎区、形成岩石碎片和出现侵入坑 4 个阶段，认为岩石内部在压碎区和岩石碎片形成的 2 个阶段产生了大量裂纹。Pang 等8 通过试验研究得出在较小围压及圆柱形刀齿作用下，岩石将发生抗拉破坏和抗压破坏，并在刀齿下方产生明显的破坏区。Chen 等9 通过侵入试验研究了楔形齿侵入过程中岩体受力及破岩裂纹扩展特征。Ma 等10、王媛等12 借助侵入试验分别开展了镐形齿、锥形齿破岩机理研究，获得了破岩特征及钻压优化参数。在数值仿真研究方面，侯义辉等13 利用 ABAQUS 软件研究了球形镶齿滚刀对破岩比能影响。苏利军等14 指出刀具刃端形状是影响岩石破碎效果最活跃的因素;汪莹莹15 采用有限元软件模拟了不同齿形单齿侵入岩石过程，结果均表明镐形齿的破岩效果最好，锥形齿次之，球形齿最差。祝效华等16 采用离散元方法研究对比了楔形齿侵入完整岩体和层理岩体过程中裂纹扩展特征。以上研究为单齿破岩机理分析提供了有益借鉴。另一方面，分形几何的诞生，为研究岩石这种复杂介质的力学行为提供了新的方法。谢和平等17 指出岩石破碎分形维数可以表示岩石的综合力学特性，同时认为岩石破碎过程也是能量耗散过程，可以建立一种分形破碎模型与能量耗散的关系。已有研究表明，分形维数可以有效地描述岩石破碎问题，它与能量消耗密切关联，且以分形维数作为指标来评估破岩影响参数是可行的10，18-19。本文针对完整硬岩高效破岩需求，选用花岗岩试样，通过对 4 种刀齿(镐形齿、锥形齿、楔形齿、球形齿)开展单齿侵入试验，研究不同齿形侵入花岗岩试样过程中的破岩机理，通过分形理论评估破岩效果，从而推荐针对花岗岩类硬岩的优化齿形及加载力，为北山地下实验室等硬岩地下工程高效施工提供指导。1试验设计本研究选取目前常用的 4 种刀齿齿形，即镐形齿、锥形齿、楔形齿、球形齿，其刀齿截面尺寸如图1。为保证试验结果具有较好的统计性，本试验选用大件花岗岩岩样开展多组侵入试验(图 2(a)。试样尺寸 1 000 mm400 mm200 mm，其物理与力学基本参数见表 1。试验加载设备选用力学压力试验机，试验时用一透明塑料管罩在刀齿周围，防止破岩碎屑四溅从而保证称重法测破岩体积及后续筛分试验结果的准确性。试验设备及加载过程示意如图 2。通过加载力定级试验，确定加载力级别共设为 5 级，依次为 20 kN、40 kN、60 kN、80 kN和 100 kN。每一个加载力级别的试验重复 2 4次，分别获得实时加载力、侵深数据并记录其破岩重量。将每个加载力级别的破碎体进行筛分(如图 3 所示，为碎屑尺寸)并记录筛分质量累积值，试验筛孔径依次为 015 mm、025 mm、05 mm、10 mm、20 mm、50 mm、100 mm 和 160 mm。694地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷图 1刀齿截面尺寸图Fig1Cross-section dimension of different teeth图 2试验设备及试验过程Fig2Test equipment and test process表 1岩样基本物理力学参数表Table 1Physico-mechanical parameters of tested rock弹性模量E/GPa泊松比v密度/(gcm3)抗压强度c/MPa抗拉强度t/MPa2049018274610646641图 3破碎岩屑粒度分布图Fig3Size distribution of fragments2试验结果21数据分析试验完成后可获得不同齿形在加载到不同最大载荷过程中的加载力 侵深数据，通过对试验收集到的破岩岩渣进行称重及筛分，获得其岩渣重量及粒径分布结果，然后通过计算获得破碎体积及破碎分形维数。破碎分形维数可由式(1)给出20:M(r)MT=rrL()3D(1)式中:M(r)为尺寸小于给定尺寸 r 的碎屑的重