›› 2016, Vol. 37 ›› Issue (10): 2971-2978.doi: 10.16285/j.rsm.2016.10.031

• 岩土工程研究 • 上一篇    下一篇

岩体强度对牙轮单齿作用下破碎坑的体积及形态影响研究

郭汝坤1,冯 春1,李战军2,李世海1   

  1. 1. 中国科学院力学研究所 流固耦合系统力学重点实验室,北京 100190;2. 广东宏大爆破股份有限公司,广东 广州 510623
  • 收稿日期:2015-10-21 出版日期:2016-10-11 发布日期:2018-06-09
  • 作者简介:郭汝坤,男,1988年生,博士研究生,主要从事岩土工程数值模拟及现场原位试验等方面的研究工作。
  • 基金资助:

    国家重点基础研究发展计划项目(973计划)(No. 2015CB250903);中国科学院战略性先导科技专项(B类)(No. XDB10030303);广东宏大爆破股份有限公司“基于数字模拟的露天爆破设计软件”研发项目资助。

Influence of rock mass strength on volume and shape of fragmental pit generated by a single tooth of roller bit

GUO Ru-kun1, FENG Chun1, LI Zhan-jun2, LI Shi-hai1   

  1. 1. Key Laboratory for Mechanics in Fluid Solid Coupling Systems, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. Guangdong Hongda Blasting Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510623, China
  • Received:2015-10-21 Online:2016-10-11 Published:2018-06-09
  • Supported by:

    This work was supported by the National Key Basic Research Program of China (973 Program) (2015CB250903), the Strategic Priority Research Program (B) of Chinese Academy of Sciences (XDB10030303) and the Research and Development Project of Open Pit Blasting Design Software Based on the Numerical Simulation.

摘要: 借助连续-非连续单元法(CDEM),对牙轮钻单齿压入破岩的机制进行了探讨,研究了加载过程中破碎体积及破碎坑的演化规律,分析了岩体凝聚力和内摩擦角对单齿破岩体积及破碎坑形态的影响。数值计算结果表明,破碎坑基本上呈半椭球体,其宽深比仅受内摩擦角控制,随着内摩擦角的增加,破碎坑的宽深比减小。破碎坑的宽度、深度及单齿破岩体积可用齿压F、钻齿半径r、凝聚力c及内摩擦角? 表征,基于数值计算结果给出了破碎坑的宽度、深度及单齿破岩体积定量表述的公式;基于相关理论公式,考虑各个同时与岩石接触的几个齿轮对岩石的损伤是相互影响的,引入单齿破岩体积的修正系数,建立了牙轮钻的工作参数(轴压、转速、进尺速度等)与岩体凝聚力及内摩擦角的函数关系。在鞍千矿南采区进行了牙轮钻随钻测试的现场试验,获得了不同岩性下的单齿破岩体积,并就近取样测试了岩体的凝聚力及内摩擦角。当修正系数取0.363时,现场测试结果与基于数值计算得到的单齿破岩体积基本一致,从而证明了数值计算及相关理论推导的正确性。研究成果可以为岩体强度的动态测试提供依据。

关键词: 单齿破岩体积, 破岩机制, 连续-非连续单元法(CDEM), 钻进速度, 岩体强度, 破碎坑形态

Abstract: Based on a continuous-discontinuous element method (CDEM), this paper is to discuss fracture mechanism of rocks under compressive loading applied by a single tooth of roller bit. The CEDM is then applied to investigate the fracture evolution process of rock mass under compressive loading, and to analyze the effect of cohesion, internal friction angle on rock fragmental volume and the patterns of fragmental pit. Numerical results show that the shape of fragmental pit is basically a semi-ellipsoid and the ratio of width to depth of the fragmental pit is only affected by the internal friction angle. With the increase of internal friction angle, the ratio of width to depth decreases gradually. The width and depth of fragmental pit and the volume of fragment can be described by the single tooth pressure F, tooth radius r, cohesion c and internal friction angle ?. By considering the rock damage influenced by several bits which are in contact with rock simultaneously, the correction coefficient of single tooth fragmental volume is introduced. Then the relationship between operating parameters of roller bit (i.e., axial force of drill pipe, rotational speed and drilling speed) and rock mass strength (i.e., cohesion and internal friction angle) is established. Field experiments are conducted at the south mining area of Anqian mine, and the rock fragmental volumes of different rock properties are obtained. The corresponding cohesive strength and internal friction angle of the rock mass are obtained by laboratory tests. When the correction factor is 0.363, the field testing results coincide well with the theoretical results, which demonstrates the validity of numerical analysis and formula derivation. The results will be used for the field test of dynamic strength of rock mass.

Key words: rock fragmental volume under single tooth, rock fracture mechanism, continuous-discontinuous element method (CDEM), drilling speed, strength of rock mass, shape of fragmental pit

中图分类号: 

  • TU 452

[1] 熊超, 黄中伟, 王立超, 史怀忠, 赫文豪, 陈振良, 李根生, . 锥形聚晶金刚石复合片齿破岩特征与机制研究[J]. 岩土力学, 2023, 44(8): 2432-2444.
[2] 周辉, 徐福通, 卢景景, 高阳, 肖建成, . 切槽对TBM刀具破岩机制的影响研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(3): 625-634.
[3] 肖建成, 卢景景, 周辉, 徐福通, 冯春, . 贯入角度对截齿破岩性能与几何排布的影响研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(12): 3372-3384.
[4] 蔡灿, 张沛, 孙明光, 杨迎新, 谢松, 蒲治成, 杨显鹏, 高超, 谭政博, . 油气钻井中的分离式冲击−切削复合破岩机制研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(9): 2535-2544.
[5] 刘京铄,曹 平,范金星,张春阳,汪文萍,刘 斌,. 不同双向侧压作用下TBM滚刀侵入破岩特征及效率研究[J]. , 2017, 38(6): 1541-1549.
[6] 程爱平,肖 术,许梦国,王 平,刘艳章,. 基于广义Hoek-Brown准则的节理岩体强度及变形参数随机分析[J]. , 2017, 38(1): 205-213.
[7] 张倩倩,韩振南,张梦奇,张建广,. 截齿破岩机制及截线间距优化试验研究[J]. , 2016, 37(8): 2172-2179.
[8] 刘学伟 ,刘泉声 ,陈 元 ,李 强,. 裂隙形式对岩体强度特征及破坏模式影响的试验研究[J]. , 2015, 36(S2): 208-214.
[9] 谭 青 ,李建芳 ,夏毅敏 ,徐孜军 ,朱 逸 ,张 佳 . 盘形滚刀破岩过程的数值研究[J]. , 2013, 34(9): 2707-2714.
[10] 莫振泽 ,李海波 ,周青春 ,何恩光 ,邹 飞 ,朱小明 ,赵 羽. 基于UDEC的隧道掘进机滚刀破岩数值模拟研究[J]. , 2012, 33(4): 1196-1202.
[11] 周延军 ,耿应春 ,王贵宾 ,唐洪林 ,李祖奎. 深部地层岩石力学性质测试与分析研究[J]. , 2011, 32(6): 1625-1630.
[12] 常德玉,李根生,沈忠厚,黄中伟,田守山曾,史怀忠,宋先知. 考虑三向地应力差时不同钻井条件下井底应力场研究[J]. , 2011, 32(5): 1546-1552.
[13] 林达明,尚彦军,孙福军,孙元春,吴锋波,刘志强. 岩体强度估算方法研究及应用[J]. , 2011, 32(3): 837-842.
[14] 苏利军,孙金山,卢文波. 基于颗粒流模型的TBM滚刀破岩过程数值模拟研究[J]. , 2009, 30(9): 2823-2829.
[15] 柴 波 ,殷坤龙 ,简文星 ,代云霞,. 巴东新城区典型库岸深部稳定性分析[J]. , 2008, 29(S1): 379-384.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 魏 丽,柴寿喜,蔡宏洲,王晓燕,李 敏,石 茜. 麦秸秆加筋材料抗拉性能的实验研究[J]. , 2010, 31(1): 128 -132 .
[2] 黄庆享,张 沛,董爱菊. 浅埋煤层地表厚砂土层“拱梁”结构模型研究[J]. , 2009, 30(9): 2722 -2726 .
[3] 荆志东,刘俊新. 红层泥岩半刚性基床结构动态变形试验研究[J]. , 2010, 31(7): 2116 -2121 .
[4] 刘争宏,廖燕宏,张玉守. 罗安达砂物理力学性质初探[J]. , 2010, 31(S1): 121 -126 .
[5] 王登科,刘 建,尹光志,韦立德. 突出危险煤渗透性变化的影响因素探讨[J]. , 2010, 31(11): 3469 -3474 .
[6] 樊恒辉,高建恩,吴普特,娄宗科. 水泥基土壤固化剂固化土的物理化学作用[J]. , 2010, 31(12): 3741 -3745 .
[7] 张成平,张顶立,骆建军,王梦恕,吴介普. 地铁车站下穿既有线隧道施工中的远程监测系统[J]. , 2009, 30(6): 1861 -1866 .
[8] 王 军,曹 平,李江腾,刘业科. 降雨入渗对流变介质隧道边坡稳定性的分析[J]. , 2009, 30(7): 2158 -2162 .
[9] 张 渊,万志军,康建荣3,赵阳升. 温度、三轴应力条件下砂岩渗透率阶段特征分析[J]. , 2011, 32(3): 677 -683 .
[10] 张雪婵 ,龚晓南 ,尹序源 ,赵玉勃. 杭州庆春路过江隧道江南工作井监测分析[J]. , 2011, 32(S1): 488 -0494 .