復(fù)合地層TBM滾刀破巖性能離散元數(shù)值試驗

汪振華，唐彬,2,3，黃志鴻，劉子默，王曉云

（1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.煤炭開采國家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 232001；3.淮南礦業(yè)集團博士后科研工作站，安徽 淮南 232001）

0 前言

隨著我國煤礦開采的深度不斷增加，煤礦瓦斯、水害隱患愈發(fā)嚴(yán)峻。各類瓦斯、水害治理巖石巷道工程量逐年增長。當(dāng)前，煤礦巖巷掘進方法主要有綜掘法和鉆爆法。其中，綜掘法破巖能力差，無法適應(yīng)硬巖地層，而鉆爆法危險性高、勞動強度大、掘進效率低下。全斷面巖石掘進機（TBM）因其安全性好，掘進速度快、機械化程度高，其設(shè)備已被引入煤礦巖巷掘進施工中。TBM滾刀破巖受地層條件影響較大，目前已有多位學(xué)者針對TBM破巖機理開展研究。劉泉聲、王召遷等開展理論分析，研究了TBM滾刀破巖機理。蘇利軍、劉學(xué)偉等開展數(shù)值模擬，采用顆粒流方法對TBM滾刀破巖過程進行數(shù)值模擬，研究了不同條件下的滾刀破巖全過程。龔秋明等通過試驗研究發(fā)現(xiàn)隨著貫入度變化，滾刀破巖效率也會有相應(yīng)的變化，存在著最優(yōu)貫入度使破巖效率最高。但TBM掘進煤礦硬巖巷道施工剛剛起步，未有針對煤系復(fù)合地層滾刀破巖的相關(guān)研究。

因此，本文建立TBM滾刀破巖的顆粒流離散單元數(shù)值模型。以煤系復(fù)合地層巖石力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，標(biāo)定顆粒流細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，開展復(fù)合地層不同滾刀貫入度下TBM滾刀破巖數(shù)值模擬實驗，同時以單一地層作為對照，分析破巖過程中滾刀法向力和巖石裂紋與貫入度之間的關(guān)系，為TBM在煤礦巖巷掘進施工中提供理論參考和設(shè)計依據(jù)。

1 復(fù)合地層滾刀破巖模擬分析貫入度數(shù)值試驗

1.1 滾刀破巖機理

盤形滾刀在運行時，受到刀盤的法向力、扭矩的作用，會在掌子面旋轉(zhuǎn)出圓形溝槽。當(dāng)施加的法向力大于巖石的抗壓強度時，盤形滾刀會將刀尖下的巖石破碎，繼續(xù)增大法向力，滾刀刀尖會貫入巖石，形成壓碎區(qū)和放射狀裂紋。

圖1 滾刀受力圖

1.2 顆粒離散元模型介紹

PFC 程序 (Particle Flow Code)，又稱為顆粒流方法，是在使用離散單元模型框架的基礎(chǔ)上，由計算引擎和圖形用戶界面構(gòu)成的細(xì)觀分析軟件。PFC是基于離散單元代碼的軟件，離散顆粒可以在給定的條件下產(chǎn)生位移和旋轉(zhuǎn)，利用離散元代碼可以使顆粒之間循環(huán)往復(fù)的識別新的接觸。PFC軟件主要用于模擬有限尺寸顆粒的運動和相互作用，而顆粒是帶質(zhì)量的剛性體，可以平移和轉(zhuǎn)動。顆粒通過內(nèi)部慣性力、力矩，以成對接觸力方式產(chǎn)生相互作用，接觸力通過更新內(nèi)力、力矩產(chǎn)生相互作用。

本文中PFC建模后接觸都選用平行黏結(jié)模型，此模型的黏結(jié)組件與線性元件之間可視為平行，在接觸處會建立線彈性相互作用和摩擦。平行鍵的存在并不排除滑動的可能性，平行黏結(jié)可以在不同實體之間傳遞力和力矩。

1.3 細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定

為了確定模型實驗的參數(shù)，對現(xiàn)有的2種巖石分別進行實驗室單軸壓縮試驗，得到物理試驗的數(shù)據(jù)。

基于巖石宏觀力學(xué)參數(shù)，在離散元模型中通過模擬單軸壓縮試驗等進行細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定。使用PFC語言代碼，建立150mm×150mm的巖體模型。采用平行黏結(jié)模型，模型大致情況為用4片墻體圍成一個150mm×150mm的正方形，在該區(qū)域隨機生成上萬個顆粒，賦予相關(guān)的細(xì)觀參數(shù)，伺服后將左右2片墻體刪除，最后進行加載。其中需要采用試錯法對于相應(yīng)模擬組進行細(xì)觀參數(shù)的賦值。

圖2 平行黏結(jié)模型

賦值細(xì)觀參數(shù)時需要做2組模擬：①對泥質(zhì)砂巖進行細(xì)觀參數(shù)的賦值來標(biāo)定抗壓強度為54MPa的巖石。②對砂巖進行細(xì)觀參數(shù)的賦值來標(biāo)定抗壓強度為64MPa的巖石。

數(shù)值模擬巖石宏觀參數(shù) 表1

兩種巖石標(biāo)定后的細(xì)觀參數(shù) 表2

圖3 兩種巖石數(shù)值模擬抗壓強度曲線圖

1.4 滾刀破巖模型建立

采用pfc2D數(shù)值模擬滾刀在單一地層和復(fù)合地層在巖石抗壓強度大致接近情況下的破巖情況。滾刀受力方式，見圖1所示，受到垂直巖面的法向力和垂直于輪跡方向的切向力以及平行輪跡方向的滾動力。為了從細(xì)觀角度研究分析滾刀貫入巖石以及巖石裂紋擴展，建立兩把滾刀破巖模型。

單一地層建模，使用PFC語言代碼，建立200cm×100cm的巖體模型。設(shè)計滾刀為400mm的盤型滾刀，刀尖的厚度設(shè)計為12mm，使用PFC中剛性墻體來模擬滾刀，接觸采用平行黏結(jié)模型，將抗壓強度標(biāo)定為64MPa的砂巖細(xì)觀參數(shù)對于模型的接觸和顆粒進行賦值。

復(fù)合地層建模，使用PFC語言代碼，建立200cm×100cm的巖體模型。采用剛性墻體模擬滾刀，滾刀尺寸設(shè)計與單一地層滾刀設(shè)計一樣。對于這個模型進行2組巖性巖石定義。其中每隔24cm，與豎直方向成45，厚度為2cm 的巖體定義為泥質(zhì)砂巖，其余部分為砂巖。接觸采用平行黏結(jié)模型，對泥質(zhì)砂巖部分使用上文標(biāo)定抗壓強度為54MPa的細(xì)觀參數(shù)，對模型接觸和顆粒進行賦值，砂巖部分采用抗壓強度標(biāo)定為64MPa的細(xì)觀參數(shù)，進行模型的接觸和顆粒賦值。

加載是通過對水平上方的剛性墻體賦予加載速率，設(shè)計模型的加載速率為4mm/min，貫入巖石深度設(shè)計為20mm。

圖4 兩種地層建模圖

2 復(fù)合地層滾刀貫入度數(shù)值試驗

2.1 復(fù)合地層破壞分析

見圖5所示，單一地層的硬巖在相同貫入度的情況下比復(fù)合地層的硬巖破壞的范圍更大。復(fù)合地層的破壞區(qū)域多是在滾刀的四周，而單一地層的破壞區(qū)域不僅在滾刀的四周，還包括兩把滾刀中間的區(qū)域。從圖中可以看出單一地層的硬巖在滾刀破巖的過程中，更容易形成貫通區(qū)，而復(fù)合地層的硬巖滾刀破巖過程中形成的破碎區(qū)則非貫通區(qū)。

圖5 相同貫入度下破巖局部示意圖

2.2 復(fù)合地層破巖產(chǎn)生裂紋的分析

圖6是由PFC模擬模型運行過程中，通過監(jiān)測代碼得到的監(jiān)測圖。

圖6 兩種地層裂紋數(shù)隨貫入度變化圖

從結(jié)果圖中可以看出滾刀在相同貫入度情況下，單一地層硬巖總的裂紋數(shù)目和壓裂紋數(shù)目要高于復(fù)合地層的裂紋數(shù)，而剪切裂紋數(shù)目要低于復(fù)合地層的硬巖。兩種地層破巖過程裂紋隨著滾刀貫入度的變化情況十分相似，當(dāng)滾刀切割巖石貫入度較小時，裂紋數(shù)目無明顯變化，隨著貫入度的增加，裂紋數(shù)目急劇增加，隨著貫入度進一步的增加，裂紋數(shù)目增加的速度減緩。

2.3 復(fù)合地層破巖滾刀法向力情況

圖7是PFC模擬模型運行過程中通過監(jiān)測代碼得到的監(jiān)測圖。從結(jié)果圖中可以看出滾刀在相同貫入度情況下，復(fù)合底層的硬巖所需要的滾刀法向力要大于單一地層的硬巖。單一地層破巖隨著貫入度的增加，所需的滾刀法向力開始減小，隨著貫入度的進一步增加，滾刀法向力開始保持震蕩變化的趨勢，在貫入度為4mm時所需的滾刀法向力最小，可認(rèn)為單一地層的最優(yōu)貫入度為4mm。復(fù)合地層破巖隨著貫入度的增加，滾刀法向力開始減小，隨著貫入度的進一步增加，開始波動，在貫入度為9mm時所需的滾刀法向力最小，可認(rèn)為復(fù)合地層的最優(yōu)貫入度為9mm。

圖7 兩種地層滾刀法向力隨貫入度變化圖

3 結(jié)論

①單一地層的硬巖在相同貫入度的情況下，比復(fù)合地層的硬巖破壞的范圍更大，在滾刀破巖的過程中，更容易形成貫通區(qū)，而復(fù)合地層的硬巖在滾刀破巖過程中，形成的破碎區(qū)則非貫通區(qū)。

②滾刀在相同破巖情況下單一地層總的裂紋數(shù)目和壓裂紋數(shù)目要高于復(fù)合地層裂紋，而剪切裂紋數(shù)目要低于復(fù)雜地層。兩種地層裂紋數(shù)目隨著貫入度變化的規(guī)律大致相同。

③相同貫入度的滾刀在破巖過程中，復(fù)合地層所需要的滾刀法向力要大于單一地層硬巖所需要的。隨著貫入度的增加，單一地層滾刀法向力會在小于最大滾刀法向力的區(qū)間震蕩，而復(fù)合地層隨著貫入度的增加，滾刀法向力會在一個區(qū)間內(nèi)保持波動。

④單一地層滾刀破巖最優(yōu)貫入度約為4mm，復(fù)合地層滾刀破巖最優(yōu)貫入度約為9mm。