煤炭科学技术

作者：张宏图, 刘喜辉, 魏建平, 刘勇, 杨耀浦, 李博涛, 杨正凯,

关键词：TBM滚刀破岩, 低压磨料空气射流, 预切槽, 切槽间距, PFC^3D,

为明确低压磨料空气射流切槽辅助滚刀破岩动力学特性及切槽间距的影响。开展常规滚刀破岩和低压磨料空气射流切槽辅助滚刀破岩试验，对比分析了2种工况下的岩石破坏特征和滚刀垂直载荷，利用颗粒离散元软件PFC3D建立滚刀破岩三维数值模型，模拟常规工况与不同切槽间距下的滚刀贯入及切割岩石过程，分析滚刀破岩过程的受力情况、裂纹扩展及应力演化特征，揭示切槽辅助下的滚刀破岩动力学特性及切槽间距的影响。结果表明：切槽前，裂纹主要分布于滚刀刀刃周围，张拉裂纹向岩石上表面和内部延伸，滚刀压痕处形成“沟壑状”破坏形貌；切槽后，裂纹被限制于两侧切槽之间，张拉裂纹倾斜扩展至切槽底端。当切槽间距为65～85 mm时，裂纹向两侧切槽底端扩展贯通，岩石呈现两侧贯通破坏现象，滚刀压痕处形成“岩脊状”破坏形貌；当切槽间距为95～105 mm时，一侧切槽底端处峰值应力无法达到岩石抗拉强度，岩石呈现单侧破坏现象。切槽限制应力的侧向传递并促进应力的切向传递，滚刀斜下方位置处产生高应力集中。切槽辅助下，滚刀贯入及切割过程所受法向力和滚动力较常规工况下显著降低，随着切槽间距增加，滚刀所受最大法向力及岩石破坏时所对应的滚刀贯入深度逐渐增加，滚刀所受法向力和滚动力逐渐增加。基于实验及模拟结果分析，在滚刀贯入度6 mm条件下，切槽深度12 mm、宽度5 mm对应的临界间距约为90 mm。利用低压磨料空气射流在临界间距内进行切槽有助于增强滚刀破岩效果，提高TBM掘进效率。

来源：2026年第2期

《煤炭科学技术》期刊编辑部

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