单宏辉
陕西陕煤澄合矿业有限公司西卓煤矿
摘要：本文通过研究裂隙的不同位置对进给阻力的影响，得出了裂隙对岩石破碎影响的一般规律，不仅为截齿的结构设计提供了新的思路，而且对优化掘进机截齿的布局提供了理论支撑，对提高掘进效率具有重要意义。
关键词：岩石裂隙；截割载荷；截齿；岩石破碎；掘进机
引言
探讨岩石裂隙对掘进机镐型截齿截割载荷的影响规律，对进一步优化掘进机截割头、截齿设计，提高掘进效率与煤矿经济效益具有重要意义。若没有裂隙存在，裂纹需要扩展到岩石上表面才能剥落岩石，镐型截齿在截割含裂隙岩石时，裂隙优先发生断裂形成自由面，然后裂隙区域的裂纹与齿尖处的裂纹相互交错贯穿，在新生自由面与裂纹交错作用下，岩石更容易被剥落下来，使得掘进机截齿破岩进给阻力减小。
1岩石材料的本构模型
LS-DYNA广泛应用于显示动力分析，其特别适用于求解二维、三维非线性结构高速碰撞、爆炸等冲击问题。LS-DYNA中的HJC材料能较好地模拟岩石的特性，因此，本次数值分析应用HJC材料对截齿破岩进行研究。HJC本构模型主要包括3个方面：强度方程、状态方程和损伤演化方程。
式中，σ*为标准化等效应力；A为标准化内聚力强度；D为损伤系数；B为标准化压力强化系数；P*为标准化静水压力；N为压力硬化系数；C为应变率系数；ε*为无量纲应变率。
拉伸状态的线弹性阶段：
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式中，Ｋ为材料的体积弹性模量，K＝Pcrash/μcrash；Pcrash是材料空隙开始闭合时的临界压力；μcrash是对应的体应变；μ＝（ρ/ρ0）－1是单元的体积应变；ρ/ρ0分别为单元的实时密度和初始密度。裂缝贯通断裂阶段：
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，式中，Ｔ是材料能承受的最大静水拉力。
该材料的压缩阶段又分为：线弹性阶段、过渡阶段和压实阶段。
线弹性阶段（0＜P＜Pcrash），计算公式见式（2）。
过渡阶段是指混凝土内部的气泡开始破裂，混凝土结构受到损伤，并开始产生破碎性裂纹，但混凝土结构还没有完全破碎。
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式中，Kcrash＝（Plock－Pcrash）/（μlock－μcrash），Plock为材料空隙全部闭合时的临界压力；μlock为对应的体积应变。
当压力达到Plock，混凝土内部气孔被完全压碎。关系式常用三次多项式表示：
式中，K1，K2和K3为状态方程。
等效塑性应变和塑性体积应变累积导致模型损伤，其损伤方程为：
式中，ΔεP、ΔμP分别表示当前积分步下等效塑性应变增量和塑性体积应变增量；
为常压Ｐ作用下材料发生断裂时的塑性应变。
2建立数值仿真模型
模型由截齿和含有裂隙区域的岩石组成。由于网格划分对仿真结果影响较大，所以对需要分析的岩石进行细密网格划分，将岩石划分为边长1mm的单元，由于截齿的材料为刚体，网格划分对计算结果影响不大，可以适当地增大网格尺寸来缩短计算时间。本次模型共划分单元600576个，节点925920个。
含裂隙区域岩石的长、宽、高分别为150mm、100mm和40mm，裂隙区域位于齿尖一侧，与齿尖距离为d，宽度为2mm。为了减少运算时间，本次数值仿真仅研究与岩石接触的齿尖部分，并将齿尖部分简化为锥角为80°的圆锥体，设定截齿侵入岩石的刀刃角为45°，截齿截割深度为6mm，截割齿线速度为1m/s。仿真过程中截齿向岩石内部进行截割，分别对d取0，1mm，2mm，3mm，4mm，5mm共6组数据进行仿真结果处理及力学分析，研究其进给阻力变化及其产生的原因。
岩石和截齿都是实体，所以都采用显示动力分析中的三维实体soild164单元。由于截齿的弹性模量远大于岩石的弹性模量，因此截齿与岩石接触时变形很小，为了简化计算，缩短计算时间，本次仿真将截齿的材料定义为刚体，同时对刚体的运动方向及转动进行约束，只保留刚体X方向移动的自由度；采用HJC材料作为本次仿真的岩石材料。
在仿真过程中，截齿与岩石是典型的侵蚀问题，且截齿的表面与岩石的表面相互碰撞，所以接触选用ERODING_SURFACE_TO_ SURFACE，主单元是截齿，从单元是岩石。为了模拟矿山中无限大的岩石，需要对岩石施加无反射边界条件。其次，需要对岩石下表面、侧面和背面进行全约束。
3仿真结果分析
3.1镐型截齿破碎岩石力学分析
截齿在截割岩石时受力呈无规则波动且波动幅度较大的状态。这是因为当截齿侵入岩石时，在齿尖下方形成应力集中区，随着载荷的增大，齿尖下方形成密实核，同时伴随着裂纹的萌生与扩展，载荷继续增大，密实核释放，裂纹扩展至自由面，整块岩石被剥落，并开始进行下一次循环。因此进给阻力先急速增大，到达峰值后开始断崖式减小，反映出岩石呈阶跃性破碎的特点。由于岩石的各向异性，导致裂纹的产生具有随机性，被剥落的岩石大小不一，因此截齿受到的进给阻力的峰值大小不一。截割载荷较好地反映了岩石破碎的基本过程，同时也验证了本文数值模拟的可行性。应力分布在截齿附近的连续区域，并在齿尖下方存在应力集中区。随着截齿不断侵入岩石，载荷不断增大，应力释放，同时伴随着裂纹的产生与延伸。
3.2镐型截齿破碎含裂隙区域岩石力学分析
统计了截割不同位置裂隙区域的截割阻力，由前到后分别是裂隙区域与齿尖距离逐渐增大的6组截割阻力。有裂隙区域的截割阻力与无裂隙区域时的形态基本一致，但随着齿尖与裂隙区域距离的增大，裂隙区域与截割区域相互影响越来越小，呈现出截割力不断增大的趋势；进给力及峰值虽然无规则波动，但总体呈现逐渐增大的趋势，说明裂隙区域位置越近，对岩石截割影响越大。
随着裂隙区域与齿尖距离的增大，平均进给力逐渐增大，峰值平均力也呈上升趋势，当齿尖与裂隙区域距离3mm时，平均截割阻力上升最快，同2mm相比增大了92.24％，说明当裂隙区域与齿尖距离在3mm内时，对破岩影响较大。
在截割过程中，截齿应力处于截齿下方区域，并向截齿齿尖集中。随着载荷的逐渐增加，截齿齿尖下端会生成密实核，应力影响区域集中在密实核附近。由于裂隙区域的存在，裂隙区域首先被破碎。并且裂隙区域与中心应力影响区域越近，裂隙区域受到的应力影响更大，经过截齿的挤压更容易破碎，应力云图被分离成裂隙区域两端的2个部分，中间裂隙区域阻挡了应力的传递，先破碎的裂隙区域就充当了裂纹的自由面。由于齿尖到裂隙区域的距离小于到岩石表面的距离，裂纹更容易扩展到裂隙区域，破碎后的裂隙区域就充当了裂纹的自由面，裂纹更容易贯穿，岩石更容易被剥落。此外，随着裂隙区域与齿尖距离的增大，截齿所能截割到的裂隙区域逐渐减小，导致平均进给力及峰值平均力呈上升趋势。
4结论
本文针对裂隙区域的位置与截齿截割载荷的关系建立了数值仿真模型并进行分析，得到了以下结论。
(1)当截割含裂隙区域岩石时，截齿所受的进给阻力较小，即含裂隙区域的岩石更容易被剥落。
(2)当齿尖位于裂隙区域中心时，截割阻力最小。当齿尖与裂隙区域距离越来越远时，截割阻力也越来越大，平均峰值力亦呈增大趋势。
(3)当裂隙与齿尖距离为1mm时的截割比能耗最小，同均质岩石相比降低了44.14％。
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