水射流辅助滚刀破岩最佳射流角度数值模拟
王安鑫1
鲁义强2
张盛3
马建宏4
杨战标5
范宏运1
1.河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作 4540012.中铁工程装备集团有限公司,河南郑州 450016;同济大学土木工程学院,上海 2000923.河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作 454001;煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,河南焦作 4540014.河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作 454001;煤炭安全生产河南省协同创新中心,河南焦作 4540005.平顶山天安煤业股份有限公司煤炭开采利用研究院,河南平顶山 467099
摘要：为解决传统滚刀施工过程中遇到超高强度岩石时存在掘进困难、刀具磨损严重和破岩效率低等问题,高压水射流因其对硬岩可产生良好的破碎效果,成为一种有效提高破岩效率的手段.水射流与滚刀的布置将直接影响滚刀荷载以及破岩比能耗等指标.针对水射流辅助滚刀最佳破岩冲击角度的合理确定,构建了泰森多边形算法的等效晶质岩石材料的颗粒簇离散元模型,采用PFC(Particle Flow Code)数值分析了不同水射流冲击角度辅助破岩下裂纹数目、岩石应力和破岩比能耗等变化规律,进一步获得了水射流冲击角度对辅助滚刀破岩效率的影响规律.结果表明:预切缝底端是滚刀破岩过程中的应力集中区域,预切缝的存在影响裂纹优先向其底端扩展,预切缝长度的增加可以有效降低滚刀荷载,但此规律随着预切缝长度的增加而逐步减弱,与无切缝相比,有预切缝存在的岩石破碎时峰值荷载降低了 6.11％～17.60％;预切缝长度对破岩比能耗的影响存在界限值20 mm,超过界限值后,预切缝长度对岩石破坏行为影响能力减弱;改变水射流冲击角度能明显改变滚刀破岩效果,破岩比能大小随水射流冲击角度的增大呈现"V"字形曲线发展,在水射流冲击角度75°辅助下获得最佳破岩效果.水射流冲击角度的合理选择,有助于提高TBM刀具寿命,研究成果能够为硬岩地质条件下TBM刀盘结构中水射流系统和喷嘴角度合理的布置提供理论参考.
关键词：硬岩滚刀破岩水射流冲击角度预切缝破岩比能
分类号：U455(隧道工程)
资助基金：国家自然科学基金(52204108)国家自然科学基金(52374086)
论文发表日期：2025-07-31
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：10( 95-104 )
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