预切缝对滚刀破岩裂纹扩展的影响规律研究

摘要

针对硬岩地质条件下传统滚刀破岩出现贯入度低、磨损严重和破岩效率低等问题，许多新型辅助破岩方法被提出，如通过激光、水射流等非接触式破岩方法在岩石上制造预切缝来辅助滚刀破岩。为了明晰预切缝条件下滚刀破岩机理，采用颗粒离散元方法建立预切缝在滚刀侧面（侧置式）和滚刀前面（前置式）两种辅助破岩仿真模型，探究了预切缝深度和间距对滚刀破岩裂纹拓展的影响规律。研究结果表明：1）侧置式辅助破岩模型中，预切缝主要影响裂纹的拓展，诱导破岩过程中侧向裂纹向预切缝底端扩展；前置式辅助破岩模型中，预切缝主要影响裂纹的萌生起裂，在贯入初期只产生侧向裂纹，并促使侧向裂纹向两侧扩展。2）滚刀垂直力和裂纹数量均随着预切缝深度的增加而减小，但滚刀垂直力随着刀间距的增大而增大，裂纹数量则随着刀间距的增加先增大后减小。3）同等条件下，侧置式辅助破岩模型的破岩效率要高于前置式辅助破岩模型，但前置式辅助破岩模型中滚刀的垂直力要远小于侧置式辅助破岩模型中的滚刀垂直力，可通过进一步增加前置式辅助破岩模型中滚刀贯入度来充分利用预切缝辅助破岩。4）滚刀贯入度一定时，侧置式辅助破岩模型适用于预切缝深度大于滚刀贯入度的情况，而前置式辅助破岩模型适用于预切缝深度小于滚刀贯入度的情况。

关键词

预切缝 / 裂纹扩展 / 滚刀 / 颗粒离散元 / 岩石破碎

基金资助

湖南省创新型省份建设专项（2019GK1010）; 盾构及掘进技术国家重点实验室开放课题（SKLST-2019-K07）; 湖南省研究生科研创新项目（CX20210212）; 中南大学研究生自主探索创新项目（2021zzts0136）