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截齿滚动掘进冻土过程的影响因素数值模拟研究.docx
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截齿滚动掘进冻土过程的影响因素数值模拟研究.docx
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随着矿井建设不断发展,人工冻结法(artificial ground freezing,简称 AGF)
被广泛运用到特殊矿井建设当中,解决建井深度大、冲积层厚度大等问题
[ 1-
2]
。众所周知,冻土是一种特殊四相体,由固、液、气、冰晶体组成,四相物
质之间相互连接,特别是冰晶体的存在使冻土强度大幅度提高
[ 3]
。冻结土层
强度高、韧性大,很难挖掘,目前大部分冻土的开挖采用热融法、爆破法、人
工或机械开挖等办法
[ 4-6]
。
热融法是采用电加热的方式,将电能转化为热能使冻土融化。该方法效率
低且耗时长,不符合矿山能源经济建设发展理念
[ 7-8]
。爆破法在竖井下应用作
业,虽然效率高、破掘冻土效果明显,但危险系数大,不利于安全施工
[ 9-12]
。
人工法是由工人手持风镐进行,施工进度慢且耗费大量人力,使得整个井筒建
设工作较为缓慢,影响矿井建设的工期。机械法是采用常规机械冲击破坏、截
齿切削等方式开挖冻土,通过理论分析建立典型截齿滚动力学模型,研究得出
截齿滚动掘进破碎是冻土开挖的主要方法
[ 13-16]
。机械冲击破坏在材料脆性越
明显时破碎效率越高,广泛应用于冻结岩土破碎及煤矿开采,而滚动侵入破碎
相较于冲击破碎方式有更好的适应性
[ 17]
。有学者
[ 18]
通过多功能自动控制冻
土切削实验室,得到截齿与冻土相互作用数学模型,以此优化截齿的几何参数
和切削速度、角度、切削量及宽度等动态参数。通过数值模型和优化的截齿应
用在环链式挖掘时,发现冻土破坏效果不明显
[ 19]
。相关试验结果表明,截齿
切削冻土时随着切削速度的提高,切削阻力和单位切削阻力有明显下降,冻土
挖掘效率可明显提高
[ 20-21]
。还有学者利用改进的 SHPB 装置测试了不同温度
和应变速率下冻土的动态力学性能,提出了损伤动态本构模型
[ 22-24]
,冻土破
坏的快慢与应变速率的增加有关。通过直径为 50 mm 的常规分离式霍普金森
压杆,得到冻土内部的裂纹分布对其在动荷载作用下的力学性能和耗能特性有
显著影响,其中动态能量耗散是重要的工程设计参数,与寒冷地区冻土的破碎
效率密切相关
[ 23]
。
国内外对于截齿滚动破碎冻土的研究较少,甚至没有独创性的机械用于竖
井冻土的开挖运输,特别是截齿在不同侵入深度下滚动破碎冻土的仿真模拟更
是鲜有涉及,大部分是研究爆破技术在人工冻结法竖井下的应用
[ 25-27]
,采用
机械开挖冻土的方法几乎没有。为了解决选取最优截齿侵入深度提高冻土开挖
效率的难题,本研究采用霍普金森压杆试验,结合 HJC 压缩损伤模型原始参
数,最终优化得到冻土本构模型参数。利用 HyperMesh、LS-DYNA 有限元仿
真模拟得到冻土破坏过程和相关比能、总能、沙漏能等数据,确定最优截齿侵
入深度,提高冻土开挖效率,对竖井更大深度的开采和建设有重要指导意义。
1 截齿滚动掘进冻土模型的建立
由 SolidWorks 三维软件建立截齿滚动掘进冻土的模型,其中截齿滚动掘
进冻土模型的主要特征采用 1∶1 比例,便于数值模拟数据的准确性。其中 HJC
动 态 损 伤 模 型 主 要 适 用 于 压 缩 损 伤 模 型 , 应 用 于 冻 结 黏 土 这 种 脆 性 材 料 。
SolidWorks 软件保存模型后输出 STEP 格式的文件,导入 HyperMesh 有限元
软件中进行参数化定义。冻土模型四周施加非反射边界条件,真实模拟冻土内
部应力传播
[ 28]
。冻土动态损伤本构模型添加体积失效准则,施加 Surface to
Surface 接触,类型为 Eroding,失效应变类型 f
s
取 0.004。为了仿真模拟的准
确性,截齿滚动掘进冻土模型均采用精细化划分网格的方法。冻土网格划分为
六面体,网格数量为 792 000 个,截齿划分为四面体,网格数量为 18 519 个。
HyperMesh 软件赋予截齿模型不同的深度,给滚筒施加水平速度、旋转速度
等参数,如图 1 所示。最后由 HyperMesh 软件保存并输出 K 文件,导入 LS-
DYNA 有限元软件中求解,得到最终数值模拟结果。滚动截齿滚动掘进冻土可
以看作单截齿循环掘进冻土的过程,截齿依靠上部机架重力和主要滚动力、法
向力滚动掘进冻土,最终冻土发生凹陷破坏。
图 1
图 1 截齿滚动掘进冻土模型
Fig. 1 Model of frozen soil excavation by cutting pick rolling
2 截齿和冻土模型的参数设置
HyperMesh 软件对材料参数进行设置。截齿采用合金钢材质,密度为 7
900 kg·m
-3
,弹性模量为 270 GPa,泊松比为 0.3。冻土取自矿井下黏土材料,
采用土壤筛、振动台、保温箱等试验用具配置成含水率为 23.87%的颗粒级配
土,用模具制作 50 mm×25 mm 的试样,在-20 ℃下恒温储存为冻土。根据冻
土单轴压缩试验,确定冻土静态抗压强度 f ΄
c
取 9.0 MPa;劈裂试验测得冻土
抗拉强度 T 为 0.3 MPa;依据霍普金森压杆冲击试验,结合 HJC 原始模型参
数,得到相关强度参数:A、B 为归一化强度,可以改变波形峰值的大小。N、
C 分别为压力硬化指数和应变率系数,N 可以改变峰值大小和脉冲宽度,C 可
以改变应变率的结果。根据这些参数的特殊性及相关文献、试验的结果,确定
A=1.2,B=0.5,C=0.012,N=1.0。最终优化得到冻土本构模型参数
[ 29-31]
。
霍普金森压杆装置主要包括子弹、入射杆、透射杆、缓冲装置,以及数据
采集系统,如图 2 所示。在入射杆与透射杆之间放入冻土试样。
图 2
图 2 试验仪器及试样
Fig. 2 Test instruments and samples: Hopkinson pressure bar (a),
data acquisition system (b) and frozen soil sample (c)
实验分为四组,对直径为 50 mm,高度 25 mm 的冻土试样在 0.2 MPa、
0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa 高压下进行冲击加载实验,即对应不同的冲击
加载应变率 600 s
-1
、700 s
-1
、900 s
-1
、1 100 s
-1
。
如图 3 所示,冻土随着应变率的越来越大,破碎程度越严重,碎块数目越
多。冻土的破坏是由子弹的冲击速度决定,子弹冲击速度越快,冻土破坏越严
重。
图 3
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