段新奇，江紅祥，郭楚文

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州221008；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇徐州221008）

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中心式高壓水射流輔助截齒旋轉(zhuǎn)破巖數(shù)值研究

段新奇1，江紅祥1，郭楚文2

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州221008；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇徐州221008）

為了研究在高壓水射流作用下水射流輔助機(jī)械截齒破巖和機(jī)械截齒單獨(dú)破巖兩種破巖效果的差別，利用LS-DYNA仿真軟件，采用有限單元法FEM、光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法SPH相結(jié)合的建模方法，對(duì)旋轉(zhuǎn)破巖過程進(jìn)行仿真研究。研究結(jié)果表明：鎬形截齒破巖過程中密實(shí)核真實(shí)存在；高壓水射流壓力在巖石模型強(qiáng)度以下時(shí)，截割力峰值相對(duì)于機(jī)械截齒單獨(dú)破巖有所降低，但比能耗沒有明顯降低；高壓水射流壓力大于巖石模型強(qiáng)度時(shí)，截齒受力綜合水平、比能耗均有明顯改善。

高壓水射流；截齒；破巖；LS-DYNA

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了一些有關(guān)高壓水射流破巖基本過程、高壓水射流切割巖石的理論模型、水射流的沖擊動(dòng)載等方面的研究，形成了描述高壓水射流沖擊下物體破壞的多種理論學(xué)說，如空蝕作用、水射流的沖擊作用、水射流的動(dòng)壓力作用、水楔作用等，但目前大部分學(xué)說尚未被證實(shí)。其中，拉伸—水楔破巖和密實(shí)核—劈拉破巖學(xué)說因定性解釋較為全面，還有一些宏觀現(xiàn)象支持，在水射流破巖理論研究中得到較為普遍地認(rèn)可［2-3］。由于高壓水射流輔助機(jī)械截齒破巖機(jī)理復(fù)雜，不易獲得巖石在機(jī)械截齒和水射流共同作用下的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變分布等動(dòng)力特性，嚴(yán)重制約了水射流輔助破巖理論和技術(shù)的發(fā)展［4］。因此，對(duì)高壓水射流

懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度快、成巷質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、安全，目前已在我國(guó)采礦和地鐵建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，也是發(fā)展前景很好的巷道開掘設(shè)備之一，在未來一段時(shí)期內(nèi)仍是我國(guó)的主要機(jī)型。但是，懸臂式掘進(jìn)機(jī)單純依靠機(jī)械截齒破巖，無法截割硬巖，對(duì)硬度較高的巖石采掘效率低、成本高，已經(jīng)成為制約我國(guó)隧道高效掘進(jìn)的瓶頸。20世紀(jì)60年代末美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)發(fā)起了探尋高效破巖方法的龐大研究計(jì)劃，研究了電子束、激光、水射流等25種破巖新方法。研究人員在中等強(qiáng)度的巖石上進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，得出了高壓水射流、激光、電子束、等離子體4種典型破巖方法所消耗的能量范圍分別為:250～500J/cm3，1000～2000J/cm3，3000～6000J/cm3，50000～100000J/cm3［1］。由以上數(shù)據(jù)可以看出，水射流破巖法是最容易實(shí)現(xiàn)且效率較高的破巖方法。研究表明，在眾輔助機(jī)械截齒破巖過程及機(jī)理的研究十分必要。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)成為科技工作者認(rèn)識(shí)研究一些復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的重要手段。Wang Jianming等［5］利用有限元分析法解決了流固耦合與超大變形問題，提出了SPH法結(jié)合FEM模型對(duì)磨料水射流切割進(jìn)行數(shù)值模擬。Gong Wenjun等［6］運(yùn)用拉格朗日-歐拉算法進(jìn)行建模并利用LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值仿真。結(jié)合拉格朗日-歐拉算法與拉格朗日法劃分網(wǎng)格進(jìn)行流固耦合計(jì)算并模擬出磨料射流沖擊過程。結(jié)果表明:切割深度與射流壓力成正比線性關(guān)系，但與射流移動(dòng)速度成指數(shù)衰減關(guān)系。Sevda Dehkhoda等［7］利用脈沖水射流對(duì)不同巖石樣品進(jìn)行沖擊破壞試驗(yàn)，得出了針對(duì)破壞不同巖石的最佳脈沖頻率。劉曉輝等［8］通過有限單元法FEM和光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法SPH對(duì)水射流破巖過程及各參數(shù)對(duì)破巖性能的影響進(jìn)行了仿真研究。本文將利用LS-DYNA仿真軟件，采用有限單元法FEM、光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法SPH相結(jié)合的建模方法，對(duì)旋轉(zhuǎn)破巖過程進(jìn)行仿真研究。

1　模型的建立及參數(shù)的選擇

利用LS-DYNA前處理建模模塊建立單齒旋轉(zhuǎn)截割巖石的三維實(shí)體模型。截齒為整體式結(jié)構(gòu)，尺寸為截齒實(shí)際尺寸的0.4倍。截齒中心有直徑d=0.0006m的中心水道，以便模擬中置式水射流，其工作角度為仰角45°，傾斜角15°；巖石內(nèi)徑r=0.14m，外徑R=0.2m，厚度h=0.05m半圓環(huán)實(shí)體；輔助剛體內(nèi)徑r=0.2m，外徑R=0.25m，厚度h=0.05m圓環(huán)實(shí)體。截齒、巖石、輔助剛體均采用三維顯式結(jié)構(gòu)實(shí)體單元——solid164實(shí)體單元。為了節(jié)省計(jì)算成本，且真實(shí)地模擬巖石在截齒和水射流作用下的破壞，本模型將巖石由巖石內(nèi)壁至齒尖、水射流作用的區(qū)域的網(wǎng)格逐漸進(jìn)行細(xì)化，再將齒尖、水射流作用的區(qū)域至巖石外壁的網(wǎng)格逐漸進(jìn)行擴(kuò)大化。這種網(wǎng)格處理方式不僅可以滿足齒尖、水射流的小作用面網(wǎng)格要細(xì)化的要求，還較為真實(shí)地模擬齒身大作用面作用下巖石大塊地破壞。完成網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖1所示。

圖1　有限元網(wǎng)格模型

solid 164實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)只有沿x，y，z方向的位移、速度、加速度的自由度。將截齒、水射流位置固定，巖石和輔助剛體通過接觸控制將巖石外壁與輔助剛體綁定，通過邊界條件設(shè)置對(duì)輔助剛體施加角速度載荷12.5rad/s，軸向速度載荷0.1m/s，輔助剛體轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)巖石轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)截齒、水射流與巖石的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)及鉆進(jìn)運(yùn)動(dòng)。添加Surface to Surface侵蝕接觸來控制截齒和巖石的作用。為了避免由于慣性力作用對(duì)巖石造成的損傷，需要在設(shè)置邊界條件時(shí)添加初始速度邊界條件對(duì)巖石施加和輔助剛體同樣的速度載荷。掘進(jìn)機(jī)在井下進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，巖石實(shí)際上是處于相對(duì)無限大的地下，為了更好地模擬地下開采的實(shí)際工況，對(duì)巖石不參與截割的表面添加無反射邊界條件。定義數(shù)組參數(shù)，并對(duì)輔助剛體施加旋轉(zhuǎn)速度載荷邊界條件。設(shè)定基本求解參數(shù)，輸出LS-DYNA類型K文件。

截齒選取剛體材料模型，且約束其所有自由度；輔助剛體采用剛體材料模型，約束除繞+Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)以外的其他自由度。巖石采用H-J-C（Johnson-Holmquist-Concrete）本構(gòu)模型［9］，該模型主要用于模擬混凝土與巖石在爆炸、沖擊、截割等動(dòng)作下造成的高應(yīng)變率、大變形的破壞，能夠很好地模擬水射流作用下巖石的應(yīng)力應(yīng)變，且適應(yīng)于拉格朗日算法。H-J-C本構(gòu)模型參數(shù)如表1所示。表中，ρ0為巖石密度；f'C為靜態(tài)抗壓強(qiáng)度；A為量綱為一的黏聚力強(qiáng)度；B為量綱為一的壓力強(qiáng)化系數(shù)；C為應(yīng)變敏感系數(shù)；SFmax為最大強(qiáng)度；G為切變模量；D1，D2為巖石損傷常數(shù)；N為量綱為一的壓力硬化系數(shù)；εfmin為巖石破碎的最小塑性應(yīng)變；T為巖石的最大拉伸強(qiáng)度。

表1　巖石H-J-C本構(gòu)模型參數(shù)［11］

在仿真計(jì)算中，水介質(zhì)的材料模型可以選用空白材料（Null），通過此材料來避免計(jì)算應(yīng)力、應(yīng)變?？瞻撞牧夏Ｐ捅仨毷褂脿顟B(tài)方程。高壓水射流使用Null空白材料模型，并結(jié)合Gruneisen狀態(tài)方程（常被用于定義具有立體撞擊速度的壓縮材料的壓力）定義其壓力。Gruneisen狀態(tài)方程［10］如下:

式中，ρ1為水的密度，kg/m3；E為內(nèi)能，J；C為vs-vp曲線的截距，m/s；S1，S2，S3為vs-vp曲線斜率的系數(shù)；γ0為Gruneisen常數(shù)；a為γ0和μ =ρ/（ρ1-1）的一階體積修正量；ρ為水壓縮后密度，kg/m3。

水射流采用的狀態(tài)方程參數(shù)取值見表2。

表2　水射流Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)［8］

在Ls-PrePost中打開K文件使用Sphgen功能可以建立各種類型的SPH光滑粒子無網(wǎng)格模型。在SPHGEN功能下可以設(shè)置模型的形狀、尺寸、位置、粒子數(shù)量、密度等參數(shù)。本文將水射流設(shè)置為圓柱體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。SPH模型建立后，為了便于后續(xù)接觸、邊界條件的添加需要使用SETD功能設(shè)置SPH節(jié)點(diǎn)組。以上所創(chuàng)建的僅僅是SPH的幾何模型，對(duì)于屬性的定義還要添加其他的關(guān)鍵字進(jìn)行設(shè)定。完成對(duì)SPH的一系列的設(shè)置后，對(duì)SPH模型和巖石模型定義Nodes to Surface侵蝕接觸。完成以上工作即可導(dǎo)出K文件，并利用LS-DYNA求解器計(jì)算求解。高壓水射流輔助機(jī)械截齒破巖模型如圖2所示。

表3　水射流模型參數(shù)

圖2　高壓水射流輔助機(jī)械截齒旋轉(zhuǎn)破巖模型

2　仿真結(jié)果分析

圖3清晰地展示了巖石模型在截齒和高壓水射流的共同作用下發(fā)生破壞的過程。模擬高壓水射流的SPH粒子組以設(shè)定速度沖擊巖石，與巖石作用面發(fā)生作用后速度發(fā)生改變，向周圍四散。根據(jù)動(dòng)量定理及能量守恒，高壓水射流大部分沖擊動(dòng)能傳遞給巖石，從而輔助截齒將巖石破碎。高壓水射流從截齒中心穿過，經(jīng)由硬質(zhì)合金噴嘴射出，源源不斷的水可以帶走截齒與巖石作用產(chǎn)生的大量熱能，從而有效地避免了截齒因溫度過高而產(chǎn)生過快磨損。在水射流向周圍四散的同時(shí)，可以沖走部分巖石與截齒之間的破碎砂石，減少兩者之間的磨粒磨損，提高截齒壽命，降低掘進(jìn)成本。巖石在截齒和高壓水射流的共同作用下的巖石內(nèi)部等效應(yīng)力分布變化如圖3所示。

圖3 水射流輔助截齒旋轉(zhuǎn)破巖過程

圖4中（a），（b），（c），（d）顯示了在高壓水射流輔助機(jī)械截齒破巖時(shí)應(yīng)力密集區(qū)域的形成過程。截齒相對(duì)于巖石做旋轉(zhuǎn)切割運(yùn)動(dòng)，截齒前刀面對(duì)巖石擠壓破壞。隨著截齒的繼續(xù)前進(jìn)，齒尖處應(yīng)力不斷增加，由于截齒和齒尖周邊未破壞巖石的共同作用，齒尖前側(cè)巖石被破壞成粉末狀，且依然承受大應(yīng)力。截齒繼續(xù)推進(jìn)，迫使巖石大塊地崩落破壞，并伴隨著截齒受力的大幅下降，截齒前方部分巖石所受應(yīng)力驟降至零。在截齒破巖的過程中以上過程不斷出現(xiàn)。應(yīng)力密集區(qū)的形成消失過程從側(cè)面證明了密實(shí)核真實(shí)存在。

圖4 巖石等效應(yīng)力變化

圖5中（a），（b）分別列出了輔助水射流壓力分別為25MPa，35MPa和45MPa，55MPa時(shí)截齒受力與截齒單獨(dú)破巖時(shí)截齒受力的對(duì)比。從圖5（a）可以看出，當(dāng)水射流壓力為25MPa，35MPa時(shí)截齒受力與機(jī)械截齒單獨(dú)破巖相比整體水平未見降低，部分峰值略有降低；從圖5（b）可以看出，當(dāng)輔助射流壓力為45MPa時(shí)，截齒受力整體水平略有降低，大部分截割力峰值小于截齒單獨(dú)破巖；當(dāng)輔助射流壓力為55MPa時(shí)，與截齒單獨(dú)破巖相比截割力明顯地降低，隨著水射流壓力的增加，水射流的輔助作用越發(fā)明顯，致使截割力峰值出現(xiàn)時(shí)刻發(fā)生變化。巖石模型的屈服強(qiáng)度設(shè)置為39MPa，在水射流壓力低于巖石強(qiáng)度時(shí)，高壓水射流的輔助作用不明顯，未能使截割力整體水平下降；當(dāng)水射流壓力大于巖石破壞強(qiáng)度時(shí)，射流壓力越大，截割力降低幅度越大；水射流的輔助破巖能使截割力峰值降低，從而降低截齒的最大受力水平，延長(zhǎng)截齒的使用壽命。

圖5　水射流輔助破巖截割力與截齒單獨(dú)破巖截割力對(duì)比

在除射流壓力以外的截割工況相同時(shí)，可對(duì)截割力在位移上積分，得出不同射流輔助截齒破巖消耗能量與截齒單獨(dú)破巖消耗能量之比的位移曲線，可在一定程度上定性地反映水射流輔助截割比能耗相對(duì)于截齒單獨(dú)破巖比能耗的大小。截齒截割相同的距離時(shí)（假定破巖體積相同），這期間的截割比能耗與消耗的能量成正比（圖6）。

圖6　不同射流輔助截齒破巖消耗能量與截齒單獨(dú)破巖消耗能量之比的位移曲線

由圖6可以看出，機(jī)械截齒在25MPa和35MPa的水射流輔助下，消耗能量比值在1附近且隨著位移的增加而上下小幅波動(dòng)，截割比能耗未見明顯下降；45MPa高壓水射流輔助機(jī)械截齒破巖時(shí)，消耗能量比值綜合水平在1以下波動(dòng)，截割巖石消耗能量比值小幅降低，即截割比能耗略有降低；55MPa高壓水射流輔助機(jī)械破巖時(shí)，消耗能量比值-位移曲線在初始階段就偏離數(shù)值1，消耗能量比值綜合水平在85%左右，說明55MPa高壓水射流輔助破巖使截割比能耗出現(xiàn)大幅降低。

在位移為7.5mm附近，4條曲線均出現(xiàn)波谷。在位移為7mm，即時(shí)刻3ms附近，截齒噴嘴截入巖石，與巖石共同形成密閉空間，高壓水在密閉空間內(nèi)無法噴出，射流動(dòng)壓轉(zhuǎn)化成靜壓。在截齒作用下巖石產(chǎn)生裂紋，密閉空間的高壓水進(jìn)入裂紋發(fā)揮水楔作用，使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大。在截齒和高壓水的共同作用下巖石破碎，大幅降低了截齒的受力，使4條曲線出現(xiàn)波谷。隨著截齒完全切入巖石，水射流的輔助作用也趨于穩(wěn)定，比能耗變化趨緩。

3　結(jié) 論

利用LS-DYNA仿真軟件，采用有限單元法FEM、光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法SPH相結(jié)合的建模方法，對(duì)旋轉(zhuǎn)破巖過程進(jìn)行仿真研究。研究結(jié)果表明:

（1）破巖過程中刀尖前側(cè)不斷出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域，且高應(yīng)力區(qū)的突然消失伴隨著截齒受力的驟然大幅下降，間接證實(shí)了鎬形截齒破巖過程中密實(shí)核的存在。

（2）高壓水射流壓力在巖石模型強(qiáng)度以下時(shí)，截齒受力整體水平未見明顯改善；高壓水射流壓力大于巖石模型強(qiáng)度時(shí)，截齒受力綜合水平降低；有水射流輔助的情況下，截割峰值均有不同程度的降低。

（3）在射流壓力低于巖石強(qiáng)度時(shí)，截割比能耗未見明顯改善；當(dāng)射流壓力大于巖石強(qiáng)度時(shí)，截割比能耗有明顯的降低，且射流壓力越大，比能耗降低幅度越大。

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［責(zé)任編輯：徐亞軍］

Numerical Studying of Cutting Pick Rotary Broken Rock with Centralized High Pressure Water Jet

DUAN Xin-qi1，JIANG Hong-xiang1，GUO Chu-wen2
（1.Mechatronic Engineering School，China University of Mining&Technology，Xuzhou 221008，China；2.Electric Power Engineering School，China University of Mining&Technology，Xuzhou 221008，China）

In order to study the difference between two different broken rock way，whick included cutting pick broken rock with auxiliary of high pressue water jet and single cutting pick broken rock，then software LS-DYNA was used，the detailed model was built with finite element method and smooth particle fluid mechanics method（SPH），and rotary broken rock process was simulated.The results showed that densely core exist during broken rock process with conical bits，the cutting peak value was smaller than single broken rock with cutting pick when the pressure value of water was smaller than the strength of rock model，but specific energy consumption decreased unconspicuous，stress state of cutting pick and specific energy improved obviously，when water jet pressure more than rock model strength.

high pressure water jet，cutting pick，broken rock，LS-DYNA多新型破巖方法中，最具潛力、效率最高，且最易于實(shí)現(xiàn)的破巖方式就是高壓水射流輔助機(jī)械截齒破巖。

TD856.43

A

1006-6225（2016）04-0010-05

2016-01-08

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.003

江蘇省自然基金項(xiàng)目（BK20151147）；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2015M581880）

段新奇（1989-），男，河南周口人，碩士，主要從事掘進(jìn)設(shè)備的設(shè)計(jì)工作。

［引用格式］段新奇，江紅祥，郭楚文.中心式高壓水射流輔助截齒旋轉(zhuǎn)破巖數(shù)值研究［J］.煤礦開采，2016，21（4）：10-14.