煤炭科学技术

作者：王安鑫, 鲁义强, 张盛, 马建宏, 杨战标, 范宏运,

关键词：硬岩, 滚刀破岩, 水射流冲击角度, 预切缝, 破岩比能,

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。

来源：2025年第7期

《煤炭科学技术》期刊编辑部

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