预制割缝作用下TBM滚刀切削速度对岩石破岩性能的影响规律

张 钦，宋瑞峰，李爱军，徐彬彬，孟亚周，蒋国华，高冬冬，李洪盛，周方跃，姬会福

(1.永城煤电控股集团登封煤业有限公司丰阳煤矿，河南 登封 452470；2.中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 221116；3.河南工业大学 机电工程学院，河南 郑州 450000)

对于硬岩巷道快速掘进，虽然TBM滚刀可以实现硬岩的有效破碎，但TBM刀具和掘进机截割机构一样存在磨损严重、掘进效率低的问题[1-3]。为解决TBM滚刀磨损严重等问题，国内外学者将高压水射流技术引入至TBM全断面掘进机，进而提高硬岩巷道掘进效率[4-6]。Wang等[7]基于有限元方法建立了滚刀与高压水射流联合破岩数值模型，并基于此研究了有关参数对滚刀破岩性能的影响。耿麒等[8]基于离散元方法分析了高压水射流预切槽角度、位置、间距等结构参数对裂纹分布、破岩载荷及贯入比能的影响规律。Cheng等[9-11]采用实验和数值模拟相结合的方法开展了水射流预制切槽辅助滚刀破岩性能研究，研究了射流预制裂缝对岩石破碎力学行为的影响规律，进一步验证了水射流切槽在岩石表面形成的自由面有助于降低TBM滚刀载荷和破岩能耗。CICCU等[12]针对滚刀破岩磨损严重等问题，开展了高压水射流辅助滚刀破岩实验研究，并指出射流侧置与滚刀可有效提高岩石破碎能力。周辉[13]、郭璐[14]、韩伟峰[15]、蒋亚龙[16]和徐福通[17]等研究了高压水射流预切槽对滚刀压头贯入性能的影响规律，发现预切槽可降低岩样破碎时压头的法向载荷，且预切槽深度对其影响存在临界值。Zhang等[18]开展了高压水射流辅助TBM滚刀破岩试验，分析了不同参数条件下射流辅助作用下滚刀对岩石破碎效果的影响规律。针对坚硬岩石大体积高效破碎难题，刘志强和李树才院士等[19]指出水射流辅助机械破碎岩石是具有工程实际意义的。目前，高压水射流与传统TBM相结合的联合破岩技术仍处于研究探索阶段，实现高压水射流切割与传统TBM刀盘破岩协调匹配，是高压水射流辅助TBM破岩的关键问题[20]。

现阶段有关高压水射流辅助机械刀具破岩研究主要聚焦于镐型截齿与钻头两类，鲜有的水射流辅助滚刀破岩研究又多以射流预切割缝辅助滚刀垂直贯入性能研究为主，但相比于滚刀的垂直贯入，岩石连续破碎所依赖的滚动切削无疑更值得深入研究，因此需要切实开展高压水射流辅助滚刀切削性能研究以指导高压水射流喷嘴在TBM刀盘上的布置方案设计。为此，本文在已有研究的基础上开展高压水射流辅助滚刀切削性能研究，为消除割缝深度分布的不均匀性对结果带来的不确定性影响，在以规则割缝替代磨料射流切割过程的基础上研究了割缝深度及其相对滚刀横向距离对滚刀切削载荷及比能的影响规律，并分析了上述参数同滚刀切削速度间的匹配关系。研究结果可为TBM对硬岩巷道的掘进能力与效率改善提供参考依据和理论支撑，且有助于降低因滚刀频繁失效产生的经济开支和劳动强度，具有重要工程意义。

1 滚刀线性切削试验平台

为避免全新搭建试验平台产生的大额经济开支，在结合滚刀切削岩体的运动学特征并参考国内外相关试验平台的设计方案后，对已有试验设备进行了适用性改造以实现滚刀对岩石试样的线性切削，如图1所示。在试验过程中，滚刀的贯入深度可通过改变置于岩石试样正下方的钢板厚度进行手动调节。故本文研究中，将割缝宽度设定为恒定的2 mm，结合滚刀贯入深度(4 mm)将割缝深度设定在2～10 mm之间取值。鉴于TBM滚刀安装间距通常为40～120 mm，而磨料射流的作用区域一般位于滚刀正前方或侧方位(相邻滚刀之间)，故割缝相对滚刀的横向距离设定在0～60 mm之间取值。滚刀切削速度因其安装半径而异，亦是影响其破岩性能的关键因素之一，结合试验台相关指标，将其在1.0～3.0 m/min之间取值。

滚刀的载荷特性是衡量其破岩性能的重要指标之一，亦是TBM刀盘结构设计过程中需重点关注的关键因素。在硬岩巷道施工过程中，TBM刀盘每转的进尺量通常很小，且相对于其回转切削行程而言更是微乎其微，由此便导致刀盘在回转切削阶段所消耗的能量要显著高于掘进阶段。因此，相比于沿滚刀径向的垂直推力，沿其周向的滚动力显然能够更好地表征滚刀的破岩性能，故后续也将以滚刀滚动力作为载荷评价指标。对于图1所示的试验平台，滚刀滚动力可通过安装于推移液压缸入口处的压力变送器获取，即结合输出电压及系统背压与活塞两端油腔截面积换算得到。

鉴于滚刀在切削过程中会因其与岩石试样间的挤压与摩擦作用而引致自身温度快速升高，进而致使刀圈表面磨损、开裂以及疲劳破坏等失效形式发生几率的提升，从而缩短滚刀的服务寿命，并最终导致TBM因频繁停机换刀带来的掘进效率下降，这将显著拖累工程的施工进度，同时大幅增加经济开支，故滚刀于此期间的温度变化历程亦需要进行监测。对此，试验期间将采用非接触式红外热像仪进行监测。

2 滚刀切削载荷及温度特性分析

2.1 载荷特性

滚刀切削过程中滚动力随时间变化关系如图2所示，伴随着滚刀与岩石间的接触状态改变，整个滚刀切削过程可依次划分为切削前、切削中与切削完成三个阶段。

图2 滚刀切削过程中滚动力随时间变化关系

其中，切削前阶段为空载阶段，但由于液压系统仍需要克服滚刀所在移动平台与轨道间的摩擦力，故此时的滚动力略高于零。在切削中阶段，滚刀与岩石发生接触，初始时岩石因变形及其内部裂纹萌生与扩展而积聚能量，滚动力因此而快速增大，而当岩石内部的裂纹尖端切向拉应力超出其抗拉强度时，岩石发生破碎，此时滚动力达到其峰值水平，但又因岩石材质不均匀及其在随后的过程中会持续发生破碎，故此时的滚动力将围绕该峰值呈小幅度波动的分布特征。在切削完成阶段，滚刀与岩石脱离接触，滚动力开始快速减小，然而由于推进系统骤然停止带来的冲击效应，此时的滚动力并未迅速减小至零值附近，而是维持在一个相对较低的载荷水平。

在TBM掘进过程中，滚刀的滚动力水平直接关系到刀盘主轴的输出扭矩，其是衡量滚刀破岩性能的关键指标。而在相关研究中，通常会以其均值以及由其衍生而来的比能来判定滚刀的破岩性能。鉴于滚动力在滚刀切削过程中的载荷分布特征，为提高计算精度，以切削中阶段的滚动力为基础，采取积分求解的方式计算其平均值，其公式为：

式中，ΔF为一个时间微元段内的滚动力，N；t1、t2分别为切削中阶段起始时间与结束时间，s。

在此期间，滚刀切削比能的计算公式为：

式中，L为滚刀切削岩石的行程，m；Vrc为滚刀破碎岩石体积，m3。

2.2 温度特性

同载荷特性相仿，滚刀切削期间的温度特性亦可划分为三个阶段，如图3所示。在切削前阶段，因滚刀尚未与岩石发生接触，此时的滚刀温度为室内温度。在切削中阶段，滚刀温度随时间逐步升高，这是由于滚刀在切削过程中会因其与岩石间的挤压与摩擦作用而积聚能量，具体表现为接触面温度上升，但又因滚刀与空气间存在实时能量交换，故滚刀温度上升趋势相对较为缓慢。此外，由于岩石材质的非均匀性及岩石碎片尺寸的随机性，滚刀温度在维持总体升高趋势的过程中偶尔伴随有下降区间段。在切削完成阶段，滚刀温度将随其与空气间的能量交换而逐渐耗散至室温水平。

图3 滚刀切削过程中温度随时间变化关系

滚刀切削过程中的红外热成像如图4所示，为更好地呈现显示效果，此处使用了动态调整而非固定范围的色彩标尺。由图4(a)(b)可知，在切削中初始时刻，岩石在滚刀的滚压作用下发生破碎并伴随着切削温度的上升，又因此时滚刀处于岩石自由边界位置，故而岩石破碎进程更为激烈，出现岩石颗粒崩落至周边区域的现象。而在随后的滚刀切削进程中，岩石破碎则相对更为平和，彼此间的差异主要体现于切削温度的不同，如图4(c)(d)所示。当滚刀切削迈入收尾阶段时，同样是在自由边界的有利引导下，加之此刻岩石所承受切削载荷朝向自由边界方向，故岩石碎片将以更大尺寸的块状形式剥离，如图4(e)(f)所示。此外，由于热量的耗散速度相对较慢，滚刀切削轨迹得以直观地显现出来。

图4 滚刀切削过程中红外热成像

3 滚刀切削速度对岩石破碎性能的影响

滚动力随切削速度变化规律如图5所示，由图5可知，滚刀载荷随其切削速度呈指数函数增大趋势。就具体数值而言，在切削速度由1.0 m/min依次增加至3.0 m/min过程中，滚刀载荷分别增大了15.04%、43.83%、89.79%、161.84%，这主要是由于滚刀切削速度增加将导致其与岩石间的滚压冲击效应增强，在此作用下岩石破碎速率明显加快，由此导致滚刀载荷开始大幅增加。与此同时，在强冲击载荷下，岩石更倾向于以更大尺寸的碎片形式破碎并剥离，可避免因岩石发生过度破碎带来的高能量消耗，故在综合影响下，滚刀载荷与切削速度间便呈现如上述关系走势。

图5 滚动力随切削速度变化规律

岩石破碎体积及滚刀切削比能随切削速度的变化规律如图6所示，由图6可知岩石破碎体积随滚刀切削速度的增加呈先增大后减小的变化趋势，这主要是由于岩石的破碎形式在此影响下更倾向于大尺寸碎片，而在较低的切削速度水平下，岩石得以充分破碎，原先位于岩石破碎坑边缘及底部位置的难于破碎部分在此时更容易在大尺寸碎片的牵连作用下发生破碎，岩石破碎体积由此出现小幅度的增加。

图6 岩石破碎体积及比能随切削速度变化规律

但随着切削速度的继续增大，岩石因其与滚刀间接触作用时间的大幅度缩短而出现无法充分破碎的局面，故而岩石破碎体积开始随之减小。正因如此，在滚刀载荷随切削速度快速增大的背景下，滚刀切削比能亦随之增大，且于较高切削速度水平下增大幅值更为可观。故综上所述，滚刀切削速度的增加不仅带来了更大的切削载荷与更高的切削比能，且无法有效改善岩石的破碎效率。因而若条件允许，应选用更低的切削速度水平，依据本试验选定的切削速度水平，推荐的切削速度优选范围为1.0～1.5 m/min。而若需要同时兼顾滚刀破岩效率，则切削速度亦可放宽至2.0 m/min，但滚刀切削比能将由此相对增大19.51%。

在掌握滚刀切削速度对其切削载荷及切削比能影响规律的基础上，继续研究滚刀在此期间的温度变化特征，结果如图7所示。由图7可知，滚刀最高温度随其切削速度的增加出现较为明显的上升，且于切削速度由1.0 m/min增加至1.5 m/min期间，其温度维持在一个相对较低的水平，但随后便快速攀升至较高温度水平并继续升高。

图7 不同切削速度下的滚刀最高温度

滚刀温度随切削速度的变化规律曲线如图8所示，由图8可知，两者间呈指数函数的变化趋势，这同前述的滚刀载荷随切削速度变化关系较为相仿，区别仅在于增长势头的不同，即滚刀温度随切削速度的增加有逐渐放缓的趋势，而滚刀载荷则与之相反。此外，相比于切削速度对滚刀载荷的影响水平，其对滚刀温度的影响则相对更为突出，就具体数值而言，在滚刀切削速度由1.0 m/min依次增加至3.0 m/min期间，滚刀最高温度分别升高了30.01%、87.51%、121.26%、134.55%，故而应慎重选取适度的滚刀切削速度范围。

图8 滚刀温度随切削速度变化规律

前述研究结论表明割缝在改善滚刀切削性能方面存在优选的深度范围，且其处于滚刀贯入深度附近，故下文将结合2～6 mm的割缝深度区间继续开展滚刀切削速度对其载荷的影响分析，结果如图9所示，在此期间，割缝相对滚刀横向距离设定为30 mm。

图9 不同割缝深度下的滚动力随切削速度变化规律

由图9可知，割缝深度的增加有助于改善滚刀切削载荷受其切削速度的影响水平，但却对两者间的关系走势并无实质性的影响。此外，当滚刀切削速度增加至3.0 m/min时，处于不同割缝深度下的滚刀切削载荷间差距微弱，就具体数值而言，2～6 mm的割缝深度所对应的滚刀切削载荷依次为19.39、18.89、18.46 kN，彼此间的差值相对于其余速度水平有所收窄，此现象表明滚刀切削速度的增加将会弱化割缝深度对其切削载荷的改善效应，这主要是由于过高的切削速度将致使滚刀切削破碎岩石难度增大，岩石破碎体积的减小导致割缝深度对其引导效应未得以充分发挥，故此时的滚刀切削载荷对割缝深度的持续增加表现出较低的敏感性。因此，对于切削速度更高的滚刀而言，应与之匹配相对较大且适度的割缝深度。

鉴于滚刀切削比能在其与割缝间的横向距离处于15～45 mm区间内维持相对较低的水平，故基于此分析不同横向距离下滚刀切削载荷随其切削速度的变化规律，结果如图10所示，在此期间，割缝深度设定为6 mm。

图10 不同横向距离下的滚动力随切削速度变化规律

由图10可知，横向距离的增加将导致滚刀切削载荷增大，且在横向距离由15 mm增加至30 mm过程中，滚刀切削载荷的增大幅值要高于横向距离由30 mm增加至45 mm阶段，这亦与前述的滚刀切削载荷随横向距离变化规律相呼应。此外，随着切削速度的增加，处于不同横向距离下的滚刀切削载荷间的差距有所拉大，该现象表明滚刀切削速度的增加将会放大横向距离对其载荷的影响水平。因此，对于安装半径较大的滚刀而言，从降低切削载荷的角度出发，应选择更小的横向距离，即将磨料浆体射流喷嘴尽可能地贴近滚刀布置，而结合前述的岩石破碎体积及比能随横向距离变化规律，就本试验选定的横向距离水平而言，推荐值为15 mm。

4 结 论

1)割缝深度的增加有助于降低滚刀载荷，但此效应却随之而逐步削弱，且在割缝深度由零增加至滚刀贯入深度水平期间效果更显著，滚刀切削比能随之亦呈现相似的变化规律。

2)滚刀切削比能随着割缝深度的增加亦呈现相似的变化规律，因此若寻求滚刀载荷及切削比能的最优化，应选取10 mm的割缝深度，而若非如此，建议选取4～6 mm的割缝深度范围。此外，岩石有无割缝对滚刀切削过程中的温度特性具有重要影响，且割缝深度增加更加有利于改善滚刀因热应变发生的变形与磨损，从而延长滚刀的服务寿命。

3)滚刀载荷随切削速度呈指数函数增大趋势，与此同时，滚刀切削比能亦随之呈现相似的变化趋势，且于较高切削速度水平下增大幅值更为可观。而滚刀温度则随之呈指数函数升高趋势，并随切削速度的增加有逐渐放缓的趋势。此外，滚刀切削速度的增加将会弱化割缝深度对其载荷的改善效应，同时放大横向距离对此的影响水平，因此对于安装半径较大的滚刀而言，应与之匹配相对较大且适度的割缝深度以及更小的横向距离。