高地应力硬岩下的截割过程有限元分析结果

在掘进机截齿截割过程中，有很多因素影响截齿的截割三向应力以及比能耗等，如截割角度、截割速度、截割深度、截齿的锥角、载荷的性质等［97－98］。本文对于单个截齿的模拟研究主要以截割角度、截割速度和截割深度为研究重点，分析研究单个截齿的三向应力变化情况，截齿首先截入不同深度后，再以不同的截割速度截割0.01s，模拟方案过程如图4.6所示。

根据图4.6所示的截齿截割模拟方案，分析截齿的三向应力变化曲线及三向应力特征值。当截齿截割角度为30°时，分别以4种截割速度和4种截割深度截割有孔的高应力花岗岩的三向应力曲线，如图4.7～图4.10所示。

图4.6　单个截齿模拟方案

图4.7　截割速度2m/s时，不同截割深度对三向应力影响规律

图4.8　截割速度2.5m/s时，不同截割深度对三向应力影响规律

图4.9　截割速度3m/s时，不同截割深度对三向应力影响规律

图4.10　截割速度3.5m/s时，不同截割深度对三向应力影响规律

如图4.7～图4.10所示，对于深部花岗岩，当截割角度为30°时，其三向应力曲线与浅埋层的截齿截割应力曲线有明显区别，造成这种现象的主要原因在于截割角度和卸荷后的深部花岗岩地应力的共同影响，其中，截割角度是主要原因。当截齿截入岩石时，截齿三向应力急剧上升，其中Z方向应力最大，X和Y方向应力变化趋于平稳；当截入一定深度时，部分截割速度和截割深度的Z方向应力不同程度地降低，之后趋于平稳，如截割速度为3.5m/s，截割深度为70mm时。对比各曲线图中的三向应力曲线，发现当截割角度和截割深度一致时，曲线变化的趋势大致相同，各曲线的最大值和最小值几乎全部相同。所以，当截割角度为30°时截割卸荷后的花岗岩，截割速度的变化对于三向应力的变化趋势和最大值与最小值没有明显影响。各工况时的其他特征值统计如表4.2所示，正负号只表示力的方向，所以，表中均值为绝对值均值。

表4.2　截割角度为30°的特征值

续表

结合图4.7和表4.2分析可知，以30°截割角度截割卸荷后的深部高应力花岗岩，三向应力变化较平缓，波动不大，但是三向应力值较大，主要由于以30°的截割角度截割同一深度时截齿有较大的体积截入岩体，使得截齿各方向都承受较大的岩体压力，特别是Z方向承受岩体的重力，所以，Z方向应力最大，如当截割深度为65mm，截割速度为2m/s时，Z方向应力均值为85 856.83N，均方根值为85 904.15N。

综上所述，当截割角度为30°时，由于三向应力值较大，变化无明显波动，整个截割过程截齿一直受较高应力作用，大大降低了截割效率、截齿磨损以及截齿比能耗，所以，不适宜于对含孔卸荷后深部高应力花岗岩的掘进［99－100］。

根据图4.6单个截齿模拟方案，对45°截割角度截割卸荷后含孔的深部高应力花岗岩三向应力曲线图进行分析，如图4.11～图4.14所示。

图4.11　截割速度2m/s时，不同截割深度对三向应力影响规律

图4.12　截割速度2.5m/s时，不同截割深度对三向应力影响规律

图4.13　截割速度3m/s时，不同截割深度对三向应力影响规律(www.xing528.com)

图4.14　截割速度3.5m/s时，不同截割深度对三向应力影响规律

由图4.11～图4.14可知，以45°的截割角度截割含孔的卸荷后深部高应力花岗岩，X方向应力最大值远大于Y方向和Z方向的应力最大值，而且X方向应力变化波动最大，这与岩体卸荷后应力分布不均匀以及密实核的形成过程有关。同时，45°截割角度时所得的三向应力的最大值明显小于截割角度为30°时的三向应力，且各种工况的最大值变化不明显，如截割深度为70mm，截割速度为2m/s时，X方向应力最大值为1.203×103N，Y方向应力最大值为3.768×102N，Z方向应力最大值为1.132×102N。根据图4.11～图4.14中数据对45°截割角度时的各工况特征值统计，如表4.3所示。

表4.3　截割角度为45°的特征值

续表

根据表4.3可知，当以截割角度为45°截割含孔的卸荷后深部高应力花岗岩时，截齿所受三向应力以X方向应力3组特征值最大，远大于Y和Z方向应力，说明X方向应力值最大，波动幅度最大，所以，X方向应力是截齿在截割过程中所受的主要阻力。当截割深度为60mm时，随截割速度的增加，三向应力的3组特征值呈现先减小后增大的变化趋势，在其他深度时，X方向和Y方向应力的3组特征值大体呈现先减小后增大的趋势，Z方向应力大体呈现先增大后减小的趋势，但增大的幅度并不太大。由于X方向应力为截割阻力，截割阻力越小，波动越小，对截割越有利，所以，根据三向应力的特征值变化趋势以及X方向应力可得，截割角度为45°，截割速度为3.5m/s，截割深度为60mm为该工况下截割含孔卸荷后深部高应力花岗岩最合理的数据。

根据图4.6单个截齿截割方案，对截割角度为60°的含孔卸荷后的深部高应力花岗岩进行模拟分析。该工况下截齿三向应力曲线图如图4.15～图4.18所示。

如图4.15～图4.18所示，当以截割角度为60°截割含孔的卸荷后深部高应力花岗岩时，截齿的X方向应力特征值最大，应力值变化波动最大，Y方向应力和Z方向应力曲线变化波动无明显规律，部分工况下变化波动幅度较大，这与截割角度加大以及密实核的形成有关。根据图4.15～图4.18截割角度为60°的各工况数据特征值统计，如表4.4所示。

图4.15　截割速度2m/s时，不同截割深度对三向应力影响规律

图4.16　截割速度2.5m/s时，不同截割深度对三向应力影响规律

图4.17　截割速度3m/s时，不同截割深度对三向应力影响规律

图4.18　截割速度3.5m/s时，不同截割深度对三向应力影响规律

表4.4　截割角度为60°的特征值

由表4.4可知，当以截割角度为60°截割含孔的卸荷后深部高应力花岗岩时，截齿所受三向应力中X方向应力特征值最大，说明X方向应力为截齿截割时所受的主应力，变化波动最大。与截割角度为45°的截齿所受的三向应力相比，Y方向应力特征值和Z方向应力特征值略有增大。由于X方向应力为截割阻力，截齿截割时截割阻力越小，波动越平缓，对截齿磨损越小，截割效率越高，同时考虑较小的Y方向应力和Z方向应力特征值，所以，当截割角度为60°，截割速度为2m/s，截割深度为70mm时截齿的三向应力特征值较为理想，该工况下的参数应为截割角度为60°时的最理想截割参数［100－102］。

综上所述，对比截齿以截割角度为45°和60°截割含孔的卸荷后深部高应力花岗岩所得的最合理的最优解各参数可得，当截割角度为60°，截割速度为2m/s，截割深度为70mm时截齿的三向应力特征值，小于截割角度为45°，截割速度为3.5m/s，截割深度为60mm时的三向应力特征值，说明当截割角度为60°时的工况截割截齿所受阻力更小、更平稳，截割效率也会更高，截齿磨损会更小。所以，在50MPa地应力的条件下，截割角度为60°，截割速度为2m/s，截割深度为70mm，为截齿截割含孔的深部高应力花岗岩最优截割参数。