旋挖鉆機(jī)截齒的破巖機(jī)理及優(yōu)化研究

劉先珊 牛萬(wàn)保 許明

doi：10.11835/j.issn.1000.582X.2023.09.007

收稿日期：2022-10-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52279094）；重慶市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（CSTB2023NSCQ-MSX0069）。

Supported by the National Natural Science Foundation of China（52279094）， Chongqing National Science Foundation（CSTB2023NSCQ-MSX0069）.

作者簡(jiǎn)介：劉先珊（1978-），女，博士，教授，主要從事巖土工程滲流、多場(chǎng)耦合理論及數(shù)值方法研究，（E-mail）liuxianshan@163.com。

摘要：旋挖鉆機(jī)成孔的顯著優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注，但實(shí)際鉆孔很難達(dá)到理想的破巖效果，揭示復(fù)雜地層賦存環(huán)境的鉆頭破巖機(jī)理是關(guān)鍵。文中基于Boussinesq問(wèn)題的求解，得到動(dòng)力頭壓力和扭矩作用于截齒時(shí)的巖石受力及位移，推導(dǎo)截齒破巖時(shí)的侵入力及切削力表達(dá)式。建立單截齒破巖的三維數(shù)值模型，獲得鉆頭鉆進(jìn)中截齒的侵入力及切削力變化規(guī)律，對(duì)比理論結(jié)果以驗(yàn)證數(shù)值模型的可行性?；谛阢@機(jī)雙截齒破巖過(guò)程的數(shù)值模擬，分析鉆進(jìn)中的巖體力學(xué)響應(yīng)及裂紋演化以揭示截齒的破巖機(jī)理，探討不同截齒布置的旋挖鉆機(jī)破巖力特征，闡明截齒傾角或偏斜角增大都將不同程度地改變破巖力大小。進(jìn)一步分析截齒布置方式與不同類型地層組合的破巖效率，結(jié)果表明，截齒傾角或截齒偏斜角或截齒間距相等時(shí)，由軟到硬地層的破碎比功逐漸增大，且鉆進(jìn)某一地層的破碎比功先減小后增大，存在最優(yōu)的截齒布置使得鉆進(jìn)效率最高。研究成果可為旋挖鉆機(jī)截齒設(shè)計(jì)的優(yōu)化和破巖效率的提高提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：旋挖鉆機(jī)；數(shù)值模擬；截齒破巖；截齒布置；破巖效率；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TU45 ?????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ?????文章編號(hào)：1000-582X（2023）09-052-14

Fragmentation mechanism and optimization of the picks in rotary drilling gig

LIU Xianshan^a，b， NIU Wanbao^a，b， XU Ming^a，b

（a. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area， Ministry of Education; b. School of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing， 400045， P. R. China）

Abstract： The significant advantages of the rotary drilling rig for boring have attracted increasing attention. However， achieving ideal fragmentation efficiency in practical drilling remains challenging. Therefore， it is crucial to understand the fragmentation mechanism in the stratum environment. By solving the Boussinesq problem， the force and displacement exerted on the picks by the power head， as well as the penetrating force and cutting force under picks fragmentation conditions， have been determined. Additionally， a 3-Dimension numerical model for a single pick has been proposed to analyze the variation in penetrating force and cutting force. The results have been calibrated with theory to validate their reliability. Furthermore， a numerical simulation involving two picks has been conducted to describe the mechanical response and cracking evolution， thus revealing the mechanism of the pick fragmentation. In addition， the fragmentation forces exerted by picks with different arrangements have been extensively discussed， highlighting that the pick inclination or deviation angle has a significant impact on fragmentation force. Finally， the fragmentation efficiency with considering the picks arrangement in different strata has been thoroughly investigated. The findings demonstrate that specific work increases as the machine drills from soft to hard formations， while maintaining the same pick inclination， deviation angle or spacing. Furthermore， the corresponding value firstly decreases， then increases for a given stratum， indicating that the optimized arrangement of picks yields the highest efficiency. These achievements provides theoretical support for the optimization of picks and improvement of fragmentation efficiency.

Keywords： rotary drilling rig; numerical simulation; pick fragmentation; picks arrangement; fragmentation efficiency; optimization

近年來(lái)，國(guó)家高速公路、鐵路、橋梁及城市基礎(chǔ)建設(shè)快速發(fā)展，越來(lái)越多地涉及深基礎(chǔ)工程，而樁基礎(chǔ)作為其重要形式，合理可靠的成孔方式是關(guān)鍵。旋挖鉆機(jī)^[1]（見圖1（a））相對(duì)于傳統(tǒng)成孔方式，適用于土層、風(fēng)化巖層、復(fù)合地層等，可實(shí)現(xiàn)低成本、高質(zhì)量及快速施工，優(yōu)勢(shì)凸顯?，F(xiàn)有旋挖鉆機(jī)的施工過(guò)程表明，單一的靜壓碎巖不僅降低旋挖和進(jìn)尺速度，且磨損鉆具嚴(yán)重，充分協(xié)同其動(dòng)力頭壓力及扭矩作用，才能有效增大破碎深度、破碎體積和破巖比能。因此，結(jié)合地層賦存環(huán)境，分析旋挖鉆機(jī)鉆頭侵入和旋轉(zhuǎn)切削地層的破巖特性，是實(shí)現(xiàn)高效破巖成孔的關(guān)鍵。

一些學(xué)者結(jié)合理論分析、試驗(yàn)及數(shù)值模擬對(duì)機(jī)械破巖進(jìn)行研究。在理論研究方面，Marshall^[2]基于彈性接觸理論，獲得壓頭侵入巖石的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律，分析切削巖石的Hertz裂紋發(fā)展；Evans^[3]建立了鎬型截齒平面截割截槽對(duì)稱的破煤模型，基于巖體拉伸破壞理論推導(dǎo)截割力的理論計(jì)算公式；劉春生等^[4]建立了鎬型截齒截槽非對(duì)稱的截割力學(xué)模型，提出截齒軸向傾?斜布置角度的取值范圍；Gao等^[5]提出了鎬型截齒峰值切割力的理論模型，并進(jìn)行了預(yù)測(cè)；劉晉霞等^[6]建立了鎬型截齒旋轉(zhuǎn)截割力模型，分析截割力與截割角及半錐角的關(guān)系；蔡燦等^[7]考慮鉆壓和圍壓，基于空腔膨脹理論建立力學(xué)與數(shù)學(xué)模型，解釋單齒沖擊下的巖石破碎機(jī)制。上述理論模型與巖石力學(xué)性質(zhì)和刀具作用參數(shù)有關(guān)，忽視了刀具與巖石的接觸特性。在試驗(yàn)研究方面，趙伏軍等^[8]通過(guò)動(dòng)靜載實(shí)驗(yàn)分析侵入載荷與裂紋的關(guān)系，闡明沖擊靜壓切削組合的破巖效果；Geng^[9]通過(guò)切割實(shí)驗(yàn)分析了旋挖速度對(duì)其切削深度的影響；劉春生等^[10]基于單齒截割實(shí)驗(yàn)得到的阻力譜，建立了滾筒截割阻力實(shí)驗(yàn)-理論的綜合模型，提出截割阻力理論模型的3種算法；Li^[11]建立鉆頭的幾何模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析鉆頭表面形貌對(duì)其切削過(guò)程的影響。在數(shù)值模擬方面，戴珊珊^[12]基于ABAQUS建立截齒截割煤巖的數(shù)值模型，分析截齒應(yīng)力分布、截割載荷及煤巖的斷裂路徑；江紅祥等^[13]結(jié)合斷裂力學(xué)及有限元方法，模擬單齒切割不同深度的4種巖石截割過(guò)程，模擬結(jié)果與理論計(jì)算、試驗(yàn)結(jié)果相吻合；Saksala等^[14]在LS-DYNA中引入MHJC動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，研究不同圍壓或不同巖層形貌的破碎巖體體積；Marion等^[15]運(yùn)用LS-DYNA模擬旋挖鉆進(jìn)破碎巖石的能量耗散過(guò)程，建立旋轉(zhuǎn)鉆頭破碎巖石能量的分形模型；周子龍等^[16]基于顆粒流軟件，分析不同圍壓與不同鎬形截齒侵入角的破巖過(guò)程，得出圍壓0～20 MPa、截齒侵入角45°～60°最利于破巖。以上室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬闡明了機(jī)械破巖過(guò)程研究的技術(shù)方法，為充分認(rèn)識(shí)旋挖鉆機(jī)的破巖機(jī)理提供了支撐。

截齒（見圖1（b））作為旋挖鉆機(jī)的重要組成部分，鉆進(jìn)中與巖層接觸受力特性的研究是揭示旋挖機(jī)破巖機(jī)理的理論基礎(chǔ)。文中依托重慶市某高壓輸變電站的深基坑樁基工程，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)SR280R旋挖鉆機(jī)截齒破巖的動(dòng)力頭壓力及扭矩，進(jìn)行截齒破巖理論分析，基于ABAQUS軟件的截齒鉆進(jìn)動(dòng)力三維數(shù)值模型，分析鉆進(jìn)過(guò)程中的截齒破巖力特性，對(duì)比理論結(jié)果以驗(yàn)證三維數(shù)值模型的可靠性；進(jìn)一步探討不同截齒布置對(duì)截齒破巖力及破碎比功的影響規(guī)律，分析不同類型地層的截齒破巖力及破碎比功特性。研究成果可為優(yōu)化旋挖鉆機(jī)的截齒布置方案及提高實(shí)際地層的旋挖效率提供科學(xué)依據(jù)。

1旋挖鉆機(jī)截齒破巖受力分析

1.1旋挖鉆進(jìn)巖體的重要作用力

分析現(xiàn)場(chǎng)旋挖鉆機(jī)破巖過(guò)程的鉆進(jìn)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)入巖參數(shù)主要為軸向壓力和水平切削力，通過(guò)旋挖鉆機(jī)的動(dòng)力頭總壓力和扭矩來(lái)體現(xiàn)。根據(jù)機(jī)械原理，可得到動(dòng)力頭總壓力和扭矩的表達(dá)式。

動(dòng)力頭的總壓力為

動(dòng)力頭扭矩為

1.2截齒法向作用巖石的接觸力效應(yīng)

圖2所示為截齒法向作用于巖石，當(dāng)不計(jì)巖體自重時(shí)，可基于Boussinesq.T.V 求解巖體內(nèi)部任一點(diǎn)的應(yīng)力。

得到法向荷載作用于巖體任一點(diǎn)的應(yīng)變分量：

當(dāng)z=0時(shí)，即截齒法向作用于巖體表面，其應(yīng)變?yōu)?/p>

假設(shè)均布荷載為

根據(jù)Boussinesq.T.V問(wèn)題給出的位移解公式（10），采用疊加原理計(jì)算巖體表面的法向位移：

由此可見，法向荷載與侵深成比例，即截齒旋挖鉆進(jìn)中的接觸力與侵深成比例關(guān)系。

1.3單截齒破巖時(shí)的受力分析

1.3.1 單截齒破巖時(shí)的軸向力

旋挖鉆進(jìn)動(dòng)力頭壓入過(guò)程中，軸向力使得巖體形成破碎坑，其單截齒破壞巖體的計(jì)算模型如圖4所示。對(duì)單截齒而言，至少要滿足單位面積上的壓力超過(guò)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，滿足以下公式：

則軸向力至少滿足如下表達(dá)式：

1.3.2 單截齒破巖時(shí)的切削力

截齒斜向侵入巖體時(shí)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，破壞面上將產(chǎn)生摩擦阻力。截齒切削形成剪切過(guò)程中需要克服的力，如圖?4（b）所示，即面ABB' 、側(cè)面ABC' 和側(cè)面AB'C 產(chǎn)生的巖體抗剪切阻力和破壞面上的摩擦力。

由公式（24）可知，旋挖鉆進(jìn)過(guò)程中的軸向力越大，切削力越大，對(duì)應(yīng)的旋挖鉆機(jī)扭矩也越大。

2旋挖鉆機(jī)截齒破巖的數(shù)值建模及驗(yàn)證

旋挖鉆進(jìn)過(guò)程是先通過(guò)侵入力作用于截齒，使巖石產(chǎn)生一個(gè)較小的破碎坑，形成發(fā)散式裂紋擴(kuò)展，再通過(guò)鉆筒的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)截齒產(chǎn)生切向力，完成巖石的旋挖切削破碎，其過(guò)程體現(xiàn)了刀具對(duì)巖石的沖擊、巖石破碎等動(dòng)-靜荷載的組合效應(yīng)，其力學(xué)響應(yīng)具有高度的非線性特征。為了更有效地描述旋挖鉆機(jī)的成孔過(guò)程，深入認(rèn)識(shí)截齒的破巖特性是關(guān)鍵?；贏BAQUS軟件研究截齒與巖體的相互作用，對(duì)比理論結(jié)果，闡明該數(shù)值模型再現(xiàn)截齒破巖過(guò)程的適用性和可靠性。

2.1三維數(shù)值模型建模及驗(yàn)證

根據(jù)SR280R旋挖鉆機(jī)的截齒特征，采用ABAQUS建立三維數(shù)值模型，如圖5所示。數(shù)值計(jì)算中，不考慮截齒磨損，將其簡(jiǎn)化為剛體，選用彈性本構(gòu)模型，力學(xué)參數(shù)如表1所示。巖體單元類型為8節(jié)點(diǎn)六面體單元C3D8R，選用擴(kuò)展Drucker-Prager本構(gòu)模型，設(shè)置失效準(zhǔn)則為剪切損傷，屈服應(yīng)力閾值150 MPa，斷裂應(yīng)變閾值0.15，剪應(yīng)力比0.33，應(yīng)力比0.0001，損傷演化的破壞位移閾值2 mm，其力學(xué)參數(shù)如表2所示。

2.2模型驗(yàn)證

截齒破巖中的侵入力主要是法向力，其大小決定截齒侵入巖石的深度；切向力是鉆頭旋轉(zhuǎn)扭矩形成的切屑力，截齒瞬時(shí)切削代表旋挖鉆機(jī)產(chǎn)生的扭矩作用。因此，研究截齒侵入力與侵深以及切向力與切割位移的關(guān)系，對(duì)理解旋挖鉆進(jìn)的巖石破碎機(jī)理具有重要意義?；贏BAQUS三維數(shù)值模型模擬單截齒破巖過(guò)程，獲得侵入力及切向力與位移的關(guān)系，如圖6所示。由圖可知，截齒法向力開始隨侵深增大而增大，侵深2 、3.25 、4.25 、4.75 mm時(shí)，其法應(yīng)力突降形成谷點(diǎn)，且谷點(diǎn)出現(xiàn)的侵深間隔越來(lái)越小，說(shuō)明侵入巖石的過(guò)程中，初始裂紋代表巖石突然破碎，截齒呈現(xiàn)跳躍性侵入，也闡明了法向力增加可加快裂紋擴(kuò)展，巖塊破碎速率增加，截齒跳躍性的侵入頻率增大。圖6給出了豎向侵入力與侵深的變化關(guān)系，其變化趨勢(shì)與理論結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了三維數(shù)值模型模擬旋挖鉆進(jìn)過(guò)程的可靠性。另外，切向力隨位移呈循環(huán)式波動(dòng)，當(dāng)切向力達(dá)到一定臨界值時(shí)，截齒突然躍進(jìn)，表明巖石在切削作用下產(chǎn)生拉破壞，出現(xiàn)體積較大的巖塊剝離現(xiàn)象；當(dāng)巖塊斷裂剝離，切向力快速下降，切向位移1.8～2.7 mm時(shí)出現(xiàn)了切向力快速下降；隨后，截齒繼續(xù)向前接觸新巖面，切向力突增，切向位移3～3.3 mm時(shí)出現(xiàn)了較大的切向力，如此躍進(jìn)-接觸-躍進(jìn)循環(huán)，呈現(xiàn)切向力-切向位移變化趨勢(shì)，與理論分析的變化規(guī)律吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了三維數(shù)值模型的可靠性。

3旋挖鉆機(jī)截齒的破巖機(jī)理

基于第三節(jié)的數(shù)值模型，建立雙截齒三維數(shù)值模型，分析旋挖鉆進(jìn)中的巖體力學(xué)響應(yīng)特征及裂紋演化規(guī)律，揭示旋挖鉆機(jī)截齒的破巖機(jī)理。

3.1截齒破巖過(guò)程中的巖石裂紋演化

圖7描述了雙截齒鉆進(jìn)巖層的裂紋演化過(guò)程。結(jié)果表明，兩截齒侵入時(shí)間0.1 s時(shí)，齒尖下方產(chǎn)生裂紋，但兩裂紋并無(wú)影響；侵入時(shí)間0.3 s時(shí)，截齒侵深逐漸增大，齒尖下的裂紋擴(kuò)展延伸成較大的裂紋區(qū)域；侵入時(shí)間0.8 s時(shí)，巖石表面的裂紋相交并開始貫通，巖片開始形成；隨著侵入時(shí)間增大至2.0 s，內(nèi)部裂紋搭接成片，且延伸的區(qū)域更大。雙截齒侵入巖石的裂紋演化是從表面至內(nèi)部，最終形成裂紋的全貫通，表明實(shí)際多截齒侵入過(guò)程中，由于截齒間相互作用，會(huì)形成更大的破碎體積，也提高了最終的破巖效率。

3.2截齒破巖過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)特征

3.2.1 截齒旋挖過(guò)程中的力-位移演化特征

圖8給出了雙截齒侵入過(guò)程中的豎向侵入力-侵深、切向力-切割位移曲線。結(jié)果顯示，侵入力隨侵深的增加而增大，侵深為3.8、7.5、13 mm時(shí)，法向力突然下降，且下降點(diǎn)對(duì)應(yīng)的侵深間隔越來(lái)越小，說(shuō)明截齒侵入巖石的過(guò)程中產(chǎn)生初始裂紋，巖石突然破碎，截齒出現(xiàn)跳躍性的侵入。當(dāng)侵入力增加時(shí)，裂紋擴(kuò)展加快，巖塊破碎速率增加，截齒跳躍性的侵入頻率增大。根據(jù)切向力與切割位移的關(guān)系曲線可知，切向力隨位移呈循環(huán)式波動(dòng)，主要在于巖石受到扭矩產(chǎn)生的切削作用時(shí)，巖塊出現(xiàn)較大體積的剝離，當(dāng)切向力達(dá)到臨界值時(shí)，截齒突然躍進(jìn)，巖塊斷裂剝離，切向力快速下降，截齒繼續(xù)向前接觸新巖面，產(chǎn)生切向力突然增大的現(xiàn)象，如此躍進(jìn)-接觸-躍進(jìn)循環(huán)往復(fù)，形成旋挖鉆進(jìn)的破巖過(guò)程。

3.2.2 截齒鉆進(jìn)中的巖石應(yīng)力及應(yīng)變分布

圖9給出了不同時(shí)刻雙截齒鉆進(jìn)的巖石應(yīng)力分布云圖，可分為4個(gè)區(qū)域：1）彈性區(qū)（最外層深藍(lán)色區(qū)域）：巖石受力最小，未達(dá)到巖石屈服強(qiáng)度，彈性變形階段。2）損傷區(qū)（淺藍(lán)色區(qū)域）：潛在裂紋擴(kuò)展區(qū)與彈性區(qū)之間，巖石受到截齒傳遞的破巖力，當(dāng)達(dá)到巖石的屈服強(qiáng)度，巖石損傷。3）裂紋擴(kuò)展區(qū)（綠色區(qū)域）：位于損傷區(qū)域的上方，巖石應(yīng)力一旦超過(guò)屈服強(qiáng)度，裂紋擴(kuò)展；當(dāng)截齒經(jīng)過(guò)該區(qū)域，沖擊壓力突然消失，裂紋在拉應(yīng)力作用下沿半球形表面擴(kuò)展，直至擴(kuò)展到巖石表面，形成一個(gè)半球形的潛在破碎區(qū)域；該區(qū)域隨鉆頭的旋轉(zhuǎn)切削而剝落，產(chǎn)生較大塊狀的巖屑，形成破碎坑。4）破碎區(qū)（紅色區(qū)域）：此區(qū)域與截齒齒尖直接接觸，齒尖處應(yīng)力集中，最易也最先達(dá)到巖石強(qiáng)度極限而破碎。

圖9（a）顯示，截齒鉆進(jìn)0.3 s時(shí)，兩截齒的應(yīng)力區(qū)域開始重疊，兩齒尖周圍的塑性區(qū)越來(lái)越大；隨著侵入時(shí)間增至2.0 s，塑性區(qū)及超過(guò)極限強(qiáng)度的巖塊越來(lái)越多，表明破壞區(qū)域越來(lái)越大。對(duì)比圖9（b）的等效塑性應(yīng)變分布，鉆進(jìn)0.3 s時(shí)，較大的塑性應(yīng)變主要出現(xiàn)在齒尖，當(dāng)截齒鉆進(jìn)2.0 s時(shí)，塑性應(yīng)變?cè)絹?lái)越大，進(jìn)入塑性區(qū)的巖石連接成片，形成較大的破碎坑體積。由此可見，截齒鉆進(jìn)中的巖體塑性區(qū)與塑性變形分布與其裂紋演化規(guī)律一致，表明了三維數(shù)值模擬的旋挖鉆機(jī)力學(xué)響應(yīng)特征是可以揭示截齒破巖機(jī)理的。

4不同截齒布置的旋挖鉆機(jī)破巖分析

4.1不同截齒傾角的破巖力特征

根據(jù)前述的侵入力及切削力計(jì)算模型，破巖力為兩力之和?？紤]不同截齒傾角的破巖分析，三維數(shù)值模擬得到截齒破巖力隨鉆進(jìn)深度的變化，如圖11所示。結(jié)果表明，截齒傾角增大將導(dǎo)致破巖力呈非線性增大。但是，破巖力主要表征截齒鉆進(jìn)中的侵入力和切向力大小，對(duì)破巖效率的判斷不夠。為此，引入截齒破巖能耗的概念——破碎比功，評(píng)價(jià)不同截齒傾角下的破碎效率，可用來(lái)確定最優(yōu)截齒傾角。破碎比功的計(jì)算結(jié)果如圖12所示，顯示截齒傾角在0～60°范圍內(nèi)，破碎比功先減小至最小值，然后逐漸增大，可見截齒破巖中存在最優(yōu)截齒傾角，當(dāng)截齒傾角大約30°時(shí)，破碎比功最小，對(duì)應(yīng)的截齒破巖效率最高。

4.2不同截齒偏斜角的破巖力特征

圖13（a）給出了不同截齒偏斜角的破巖力變化，表明截齒侵入過(guò)程中的破巖力隨侵深增加呈波動(dòng)式增大。同一侵深時(shí)，侵入力隨偏斜角增大而增大，當(dāng)截齒偏斜角45°時(shí)，其破巖力的變化趨勢(shì)與偏斜角0°～35°有明顯差異，表明偏斜角45°時(shí)的截齒破巖出現(xiàn)異常，實(shí)際旋挖鉆機(jī)設(shè)計(jì)中需要避免偏斜角45°。如圖13（b）所示的切削力隨切削位移循環(huán)波動(dòng)，表明不同偏斜角時(shí)的切削力波動(dòng)頻率不同，偏斜角?0°、25°和45°的波動(dòng)頻率較小，幅值較大，說(shuō)明這些角度下的巖塊破碎體積較大，破巖速率較??；而偏斜角15°和35°時(shí)的波動(dòng)頻率較大，幅值較小，此時(shí)對(duì)應(yīng)的破碎巖塊體積較小，而破巖速率較高。

另外，圖14所示的不同偏斜角截齒破巖效率表明，截齒偏斜角0～45°的破碎比功先減小，當(dāng)偏斜角25°時(shí)達(dá)到極小值，隨后逐漸增大。可見，當(dāng)截齒偏斜角25°時(shí)，破碎比功最小，即偏斜角25°對(duì)應(yīng)的截齒破巖效率最高。

5旋挖機(jī)破巖的截齒布置優(yōu)化分析

不同截齒布置方式（排列方式、截齒偏斜角、截齒間距等）的破巖效率差異顯著。實(shí)際旋挖鉆機(jī)的成孔中，會(huì)遭遇不同地層環(huán)境，其破巖效率也將不同。考慮表3的四類地層力學(xué)參數(shù)，基于三維旋挖鉆進(jìn)數(shù)值模型，分析對(duì)應(yīng)工況的破碎比功，并提出優(yōu)化建議。

5. 1不同地層破巖的最優(yōu)截齒傾角

圖15給出了不同截齒傾角鉆進(jìn)不同地層的破碎比功變化規(guī)律。結(jié)果表明，截齒傾角相同、地層由軟到硬時(shí)，破碎比功的數(shù)值變化較大，軟巖對(duì)應(yīng)的破巖比功最小，而硬巖對(duì)應(yīng)的破碎比功最大，軟巖和較軟巖的破碎比功在0～1 000 kJ/m³，較硬和硬巖的破碎比功在1 000 ～3 000 kJ/m³，說(shuō)明某一特定旋挖機(jī)施工時(shí)，鉆進(jìn)硬巖地層消耗的能量大，破巖難度相對(duì)大。對(duì)某一類地層而言，破碎比功均先減小后增大，根據(jù)最小破碎比功對(duì)應(yīng)最優(yōu)截齒傾角，可得到不同地層即硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖的最優(yōu)截齒傾角32°、30°、29°和27°，截齒破巖中的最優(yōu)截齒傾角約30°左右。

由此可見，不同地層的截齒破巖均出現(xiàn)最小破碎比功，闡明不同地層的旋挖鉆進(jìn)存在最優(yōu)的截齒傾角。實(shí)際旋挖鉆機(jī)截齒的安裝設(shè)計(jì)，需結(jié)合地層特性選擇合適的截齒傾角，以提高破巖效率。

5. 2不同地層破巖的最優(yōu)截齒偏斜角

圖16給出了不同截齒偏斜角的旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)不同地層的破碎比功曲線。由圖可知，旋挖鉆進(jìn)某一類地層時(shí)，截齒偏斜角增大，破碎比功先減小后增大，說(shuō)明破巖過(guò)程中存在最小破碎比功，旋挖鉆進(jìn)不同地層時(shí)，均存在最優(yōu)偏斜角。當(dāng)截齒偏斜角相同時(shí)，破碎比功由軟巖、較軟巖、較硬巖、硬巖地層呈現(xiàn)跳躍性增大，各地層的破碎比功數(shù)值無(wú)交叉，說(shuō)明地層類型對(duì)截齒破巖的破碎比功影響大，即地層越堅(jiān)硬，旋挖鉆進(jìn)的難度越大，旋挖效率越低。另外，截齒鉆進(jìn)軟巖地層時(shí)的最優(yōu)偏斜角最大，主要在于軟巖地層強(qiáng)度較低，截齒隨鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，受到水平面上的扭矩較小，合力中心線在鉆頭切線方向的夾角較大，截齒軸線與合力中心線重合，則偏斜角較大；而破碎硬巖地層時(shí)，受到水平方向的扭矩較大，合力中心線與切線方向的夾角減小，故偏斜角較小。根據(jù)圖16可得，不同地層即硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖的最優(yōu)偏斜角為15°、25°、33°和38°，表明了不同地層的旋挖鉆進(jìn)設(shè)計(jì)中需要考慮最優(yōu)的截齒偏斜角，以提高破巖效率。

5. 3不同地層破巖的最優(yōu)截齒間距

圖17給出了不同截齒間距的旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)不同地層的破碎比功曲線，同樣存在最小破碎比功和最優(yōu)的截齒間距。圖形顯示，當(dāng)截齒為同一間距時(shí)，破碎比功由軟巖、較軟巖、較硬巖、硬巖地層呈現(xiàn)跳躍性增大，說(shuō)明地層類型對(duì)旋挖鉆進(jìn)中的截齒破巖破碎比功影響大，即地層越堅(jiān)硬，旋挖鉆進(jìn)的難度越大，旋挖效率越低。另外，當(dāng)?shù)貙宇愋鸵欢〞r(shí)，截齒間距增大，破碎比功先減小后增大，存在極小值，即截齒破巖存在最優(yōu)截齒間距。由圖可得，硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖的最優(yōu)截齒間距分別為60、68、80、90 mm，表明地層硬度增大，最優(yōu)截齒間距越小，主要在于地層越硬，截齒侵入后的巖體裂紋擴(kuò)展速度慢，若截齒間距過(guò)大，截齒下的巖體裂紋擴(kuò)展延伸難度大，只有當(dāng)截齒間距相對(duì)較小時(shí)，硬巖裂紋才能快速擴(kuò)展搭接形成大的巖片。由此可知，相對(duì)較軟地層的鉆進(jìn)過(guò)程，要達(dá)到同樣的破碎比功，硬巖鉆進(jìn)需要安裝更多的截齒，才能保證相同的能量消耗中切割體積相同的巖體，但過(guò)小的截齒間距，會(huì)出現(xiàn)截齒下裂紋交互頻繁，截齒向下過(guò)度破碎巖體而產(chǎn)生更大的破碎比功，此時(shí)形成的巖片體積將過(guò)小，破巖效率反而較低。因此，當(dāng)?shù)貙宇愋痛_定后，選擇合理的截齒間距才能獲得更優(yōu)的破碎比功。

6結(jié)??論

旋挖鉆機(jī)的成孔優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注，實(shí)際施工中的最優(yōu)破巖效率是關(guān)鍵。文中結(jié)合理論分析，驗(yàn)證截齒破巖三維數(shù)值模型的可行性，模擬旋挖鉆機(jī)截齒在動(dòng)力頭壓力及扭矩下的破巖過(guò)程，探討截齒破巖的力學(xué)響應(yīng)及裂紋演化特征，分析不同截齒布置的破巖力變化規(guī)律，研究不同截齒布置在不同地層中的破巖效率，并給出優(yōu)化建議。主要結(jié)論如下：

1）結(jié)合截齒破巖的理論公式，分析截齒破巖三維數(shù)值模擬的侵入及切削過(guò)程，驗(yàn)證數(shù)值模型的可行性。通過(guò)雙截齒破巖中的巖體力學(xué)響應(yīng)及裂紋演化特征，解釋鉆機(jī)破巖機(jī)理。

2）分析不同截齒布置的旋挖鉆機(jī)破巖力特征，表明截齒傾角增大時(shí)，破巖力呈非線性增大；偏斜角增大，破巖力呈現(xiàn)不同的波動(dòng)頻率和幅值，可根據(jù)頻率可定性分析破碎巖體的體積及破巖速率。

3）截齒布置方式對(duì)不同地層的破巖效率影響較大。當(dāng)截齒傾角相同時(shí)，由軟到硬地層的破碎比功變化較大，軟巖的破巖比功最小，硬巖破碎比功最大，對(duì)某一類地層，破碎比功均先減小后增大；截齒偏斜角相同時(shí)，破碎比功由軟巖、較軟巖、較硬巖、硬巖地層呈現(xiàn)跳躍性增大，某一地層旋挖鉆進(jìn)時(shí)，截齒偏斜角增大，破碎比功先減小后增大；截齒間距相同時(shí)，破碎比功由軟巖、較軟巖、較硬巖、硬巖地層呈現(xiàn)跳躍性增大，即地層越堅(jiān)硬，旋挖效率越低，當(dāng)?shù)貙宇愋鸵欢〞r(shí)，截齒間距增大，破碎比功先減小至最小值后增大，說(shuō)明存在最優(yōu)截齒布置使得旋挖鉆進(jìn)效率最高。

由此可見，實(shí)際旋挖鉆機(jī)施工過(guò)程中，不同地層的鉆孔需要考慮賦存環(huán)境與截齒布置的協(xié)同作用，才能不斷優(yōu)化截齒設(shè)計(jì)以獲得更高的破巖效率，并減少鉆頭的磨損。

參考文獻(xiàn)

［1］??黎中銀， 夏柏如， 吳方曉. 旋挖鉆機(jī)高效入巖機(jī)理及其工程應(yīng)用[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)， 2009， 22（3）： 121-126.

Li Z Y， Xia B R， Wu F X. Mechanism of efficient rock cracking and its engineering application of rotary drilling rig[J]. China Journal of Highway and Transport， 2009， 22（3）： 121-126.（in Chinese）

［2］??Jonak J， Podgórski J. Mathematical model and results of rock cutting modeling[J]. Journal of Mining Science， 2001， 37（6）： 615-618.

［3］??Evans I. A theory of the cutting force for point-attack picks[J]. International Journal of Mining Engineering， 1984， 2（1）： 63-71.

［4］??劉春生， 靳立紅. 基于截槽非對(duì)稱條件鎬形截齒的截割力學(xué)模型[J]. 煤炭學(xué)報(bào)， 2009， 34（7）： 983-987.

Liu C S， Jin L H. The cut mechanical model of pick-shaped cutter under conditions of dissymmetrical slotting[J]. Journal of China Coal Society， 2009， 34（7）： 983-987.（in Chinese）

［5］??Gao K D， Du C L， Jiang H X， et al. A theoretical model for predicting the Peak Cutting Force of conical picks[J]. Frattura Ed Integrità Strutturale， 2013， 8（27）： 43-52.

［6］??劉晉霞， 馬超， 曾慶良， 等. 鎬型截齒截割煤巖過(guò)程的截割力研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào)， 2017， 42（5）： 1325-1330.

Liu J X， Ma C， Zeng Q L， et al. Research on cutting force of conical pick in cutting coal process[J]. Journal of China Coal Society， 2017， 42（5）： 1325-1330.（in Chinese）

［7］??蔡燦， 伍開松， 廉棟， 等. 單齒沖擊作用下破巖機(jī)制分析[J]. 巖土力學(xué)， 2015， 36（6）： 1659-1666， 1675.

Cai C， Wu K S， Lian D， et al. Study of rock-breaking mechanism under single-tooth impact[J]. Rock and Soil Mechanics， 2015， 36（6）： 1659-1666， 1675.（in Chinese）

［8］??趙伏軍， 謝世勇， 潘建忠， 等. 動(dòng)靜組合載荷作用下巖石破碎數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2011， 33（8）： 1290-1295.

Zhao F J， Xie S Y， Pan J Z， et al. Numerical simulation and experimental investigation on rock fragmentation under combined dynamic and static loading[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2011， 33（8）： 1290-1295.（in Chinese）

［9］??Geng D X， Zhang D Y， Xu Y G， et al. Effect of speed ratio in edge routing of carbon fiber-reinforced plastics by rotary ultrasonic elliptical machining[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites， 2015， 34（21）： 1779-1790.

［10］??劉春生， 李德根. 不同截割狀態(tài)下鎬型截齒側(cè)向力的實(shí)驗(yàn)與理論模型[J]. 煤炭學(xué)報(bào)， 2016， 41（9）： 2359-2366.

Liu C S， Li D G. Experimental research and theoretical model on lateral force of conical pick under different cutting conditions[J]. Journal of China Coal Society， 2016， 41（9）： 2359-2366.（in Chinese）

［11］??Li Z， Zhang D Y， Jiang X G， et al. Study on rotary ultrasonic-assisted drilling of titanium alloys （Ti₆Al₄V） using 8-facet drill under no cooling condition[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2017， 90（9）： 3249-3264.

［12］??戴珊珊. 基于ABAQUS模擬鎬形截齒截割脆性煤巖[J]. 煤礦機(jī)械， 2012， 33（5）： 46-48.

Dai S S. Simulation of brittle coal cutting by conical pick based on ABAQUS[J]. Coal Mine Machinery， 2012， 33（5）： 46-48.（in Chinese）

［13］??江紅祥， 杜長(zhǎng)龍， 劉送永， 等. 基于斷裂力學(xué)的巖石切削數(shù)值分析探討[J]. 巖土力學(xué)， 2013， 34（4）： 1179-1184.

Jiang H X， Du C L， Liu S Y， et al. Numerical analysis of rock cutting based on fracture mechanics[J]. Rock and Soil Mechanics， 2013， 34（4）： 1179-1184.（in Chinese）

［14］??Saksala T， Gomon D， Hokka M， et al. Numerical and experimental study of percussive drilling with a triple-button bit on Kuru granite[J]. International Journal of Impact Engineering， 2014， 72： 56-66.

［15］??Fourmeau M， Kane A， Hokka M Experimental and numerical study of drill bit drop tests on Kuru granite[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London， A 375： 20160176. http：//dx.doi.org/10.1098/rsta.2016.0176.

［16］??周子龍， 劉玉良， 趙云龍， 等. 不同圍壓與不同截齒侵入角作用下鎬形截齒破巖數(shù)值模擬分析[J]. 世界科技研究與發(fā)展， 2016， 38（3）： 598-603.

Zhou Z L， Liu Y L， Zhao Y L， et al. Numerical analysis on breaking rock by pick-shaped cutter at different confining pressure and invasion angle[J]. World Sci-Tech R & D， 2016， 38（3）： 598-603.（in Chinese）

（編輯??陳移峰）