中心式高压水射流辅助截齿旋转破岩数值研究

段新奇，江红祥，郭楚文

（1.中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州221008；2.中国矿业大学电力工程学院，江苏徐州221008）



中心式高压水射流辅助截齿旋转破岩数值研究

段新奇1，江红祥1，郭楚文2

（1.中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州221008；2.中国矿业大学电力工程学院，江苏徐州221008）

为了研究在高压水射流作用下水射流辅助机械截齿破岩和机械截齿单独破岩两种破岩效果的差别，利用LS-DYNA仿真软件，采用有限单元法FEM、光滑粒子流体动力学方法SPH相结合的建模方法，对旋转破岩过程进行仿真研究。研究结果表明：镐形截齿破岩过程中密实核真实存在；高压水射流压力在岩石模型强度以下时，截割力峰值相对于机械截齿单独破岩有所降低，但比能耗没有明显降低；高压水射流压力大于岩石模型强度时，截齿受力综合水平、比能耗均有明显改善。

高压水射流；截齿；破岩；LS-DYNA

国内外专家学者已经进行了一些有关高压水射流破岩基本过程、高压水射流切割岩石的理论模型、水射流的冲击动载等方面的研究，形成了描述高压水射流冲击下物体破坏的多种理论学说，如空蚀作用、水射流的冲击作用、水射流的动压力作用、水楔作用等，但目前大部分学说尚未被证实。其中，拉伸—水楔破岩和密实核—劈拉破岩学说因定性解释较为全面，还有一些宏观现象支持，在水射流破岩理论研究中得到较为普遍地认可［2-3］。由于高压水射流辅助机械截齿破岩机理复杂，不易获得岩石在机械截齿和水射流共同作用下的内部应力、应变分布等动力特性，严重制约了水射流辅助破岩理论和技术的发展［4］。因此，对高压水射流

悬臂式掘进机掘进速度快、成巷质量好、结构紧凑、技术先进、经济、安全，目前已在我国采矿和地铁建设中得到广泛应用，也是发展前景很好的巷道开掘设备之一，在未来一段时期内仍是我国的主要机型。但是，悬臂式掘进机单纯依靠机械截齿破岩，无法截割硬岩，对硬度较高的岩石采掘效率低、成本高，已经成为制约我国隧道高效掘进的瓶颈。20世纪60年代末美国国家科学基金会发起了探寻高效破岩方法的庞大研究计划，研究了电子束、激光、水射流等25种破岩新方法。研究人员在中等强度的岩石上进行切割实验，得出了高压水射流、激光、电子束、等离子体4种典型破岩方法所消耗的能量范围分别为:250～500J/cm3，1000～2000J/cm3，3000～6000J/cm3，50000～100000J/cm3［1］。由以上数据可以看出，水射流破岩法是最容易实现且效率较高的破岩方法。研究表明，在众辅助机械截齿破岩过程及机理的研究十分必要。

随着计算机技术的发展，计算机仿真技术已经成为科技工作者认识研究一些复杂系统的运动变化规律的重要手段。Wang Jianming等［5］利用有限元分析法解决了流固耦合与超大变形问题，提出了SPH法结合FEM模型对磨料水射流切割进行数值模拟。Gong Wenjun等［6］运用拉格朗日-欧拉算法进行建模并利用LS-DYNA进行数值仿真。结合拉格朗日-欧拉算法与拉格朗日法划分网格进行流固耦合计算并模拟出磨料射流冲击过程。结果表明:切割深度与射流压力成正比线性关系，但与射流移动速度成指数衰减关系。Sevda Dehkhoda等［7］利用脉冲水射流对不同岩石样品进行冲击破坏试验，得出了针对破坏不同岩石的最佳脉冲频率。刘晓辉等［8］通过有限单元法FEM和光滑粒子流体动力学方法SPH对水射流破岩过程及各参数对破岩性能的影响进行了仿真研究。本文将利用LS-DYNA仿真软件，采用有限单元法FEM、光滑粒子流体动力学方法SPH相结合的建模方法，对旋转破岩过程进行仿真研究。

1　模型的建立及参数的选择

利用LS-DYNA前处理建模模块建立单齿旋转截割岩石的三维实体模型。截齿为整体式结构，尺寸为截齿实际尺寸的0.4倍。截齿中心有直径d=0.0006m的中心水道，以便模拟中置式水射流，其工作角度为仰角45°，倾斜角15°；岩石内径r=0.14m，外径R=0.2m，厚度h=0.05m半圆环实体；辅助刚体内径r=0.2m，外径R=0.25m，厚度h=0.05m圆环实体。截齿、岩石、辅助刚体均采用三维显式结构实体单元——solid164实体单元。为了节省计算成本，且真实地模拟岩石在截齿和水射流作用下的破坏，本模型将岩石由岩石内壁至齿尖、水射流作用的区域的网格逐渐进行细化，再将齿尖、水射流作用的区域至岩石外壁的网格逐渐进行扩大化。这种网格处理方式不仅可以满足齿尖、水射流的小作用面网格要细化的要求，还较为真实地模拟齿身大作用面作用下岩石大块地破坏。完成网格划分后的有限元模型如图1所示。

图1　有限元网格模型

solid 164实体单元节点只有沿x，y，z方向的位移、速度、加速度的自由度。将截齿、水射流位置固定，岩石和辅助刚体通过接触控制将岩石外壁与辅助刚体绑定，通过边界条件设置对辅助刚体施加角速度载荷12.5rad/s，轴向速度载荷0.1m/s，辅助刚体转动带动岩石转动，实现截齿、水射流与岩石的相对转动及钻进运动。添加Surface to Surface侵蚀接触来控制截齿和岩石的作用。为了避免由于惯性力作用对岩石造成的损伤，需要在设置边界条件时添加初始速度边界条件对岩石施加和辅助刚体同样的速度载荷。掘进机在井下进行掘进作业时，岩石实际上是处于相对无限大的地下，为了更好地模拟地下开采的实际工况，对岩石不参与截割的表面添加无反射边界条件。定义数组参数，并对辅助刚体施加旋转速度载荷边界条件。设定基本求解参数，输出LS-DYNA类型K文件。

截齿选取刚体材料模型，且约束其所有自由度；辅助刚体采用刚体材料模型，约束除绕+Z轴转动以外的其他自由度。岩石采用H-J-C（Johnson-Holmquist-Concrete）本构模型［9］，该模型主要用于模拟混凝土与岩石在爆炸、冲击、截割等动作下造成的高应变率、大变形的破坏，能够很好地模拟水射流作用下岩石的应力应变，且适应于拉格朗日算法。H-J-C本构模型参数如表1所示。表中，ρ0为岩石密度；f'C为静态抗压强度；A为量纲为一的黏聚力强度；B为量纲为一的压力强化系数；C为应变敏感系数；SFmax为最大强度；G为切变模量；D1，D2为岩石损伤常数；N为量纲为一的压力硬化系数；εfmin为岩石破碎的最小塑性应变；T为岩石的最大拉伸强度。

表1　岩石H-J-C本构模型参数［11］

在仿真计算中，水介质的材料模型可以选用空白材料（Null），通过此材料来避免计算应力、应变。空白材料模型必须使用状态方程。高压水射流使用Null空白材料模型，并结合Gruneisen状态方程（常被用于定义具有立体撞击速度的压缩材料的压力）定义其压力。Gruneisen状态方程［10］如下:

式中，ρ1为水的密度，kg/m3；E为内能，J；C为vs-vp曲线的截距，m/s；S1，S2，S3为vs-vp曲线斜率的系数；γ0为Gruneisen常数；a为γ0和μ =ρ/（ρ1-1）的一阶体积修正量；ρ为水压缩后密度，kg/m3。

水射流采用的状态方程参数取值见表2。

表2　水射流Gruneisen状态方程参数［8］

在Ls-PrePost中打开K文件使用Sphgen功能可以建立各种类型的SPH光滑粒子无网格模型。在SPHGEN功能下可以设置模型的形状、尺寸、位置、粒子数量、密度等参数。本文将水射流设置为圆柱体结构，其结构参数如表3所示。SPH模型建立后，为了便于后续接触、边界条件的添加需要使用SETD功能设置SPH节点组。以上所创建的仅仅是SPH的几何模型，对于属性的定义还要添加其他的关键字进行设定。完成对SPH的一系列的设置后，对SPH模型和岩石模型定义Nodes to Surface侵蚀接触。完成以上工作即可导出K文件，并利用LS-DYNA求解器计算求解。高压水射流辅助机械截齿破岩模型如图2所示。

表3　水射流模型参数

图2　高压水射流辅助机械截齿旋转破岩模型

2　仿真结果分析

图3清晰地展示了岩石模型在截齿和高压水射流的共同作用下发生破坏的过程。模拟高压水射流的SPH粒子组以设定速度冲击岩石，与岩石作用面发生作用后速度发生改变，向周围四散。根据动量定理及能量守恒，高压水射流大部分冲击动能传递给岩石，从而辅助截齿将岩石破碎。高压水射流从截齿中心穿过，经由硬质合金喷嘴射出，源源不断的水可以带走截齿与岩石作用产生的大量热能，从而有效地避免了截齿因温度过高而产生过快磨损。在水射流向周围四散的同时，可以冲走部分岩石与截齿之间的破碎砂石，减少两者之间的磨粒磨损，提高截齿寿命，降低掘进成本。岩石在截齿和高压水射流的共同作用下的岩石内部等效应力分布变化如图3所示。

图3 水射流辅助截齿旋转破岩过程

图4中（a），（b），（c），（d）显示了在高压水射流辅助机械截齿破岩时应力密集区域的形成过程。截齿相对于岩石做旋转切割运动，截齿前刀面对岩石挤压破坏。随着截齿的继续前进，齿尖处应力不断增加，由于截齿和齿尖周边未破坏岩石的共同作用，齿尖前侧岩石被破坏成粉末状，且依然承受大应力。截齿继续推进，迫使岩石大块地崩落破坏，并伴随着截齿受力的大幅下降，截齿前方部分岩石所受应力骤降至零。在截齿破岩的过程中以上过程不断出现。应力密集区的形成消失过程从侧面证明了密实核真实存在。

图4 岩石等效应力变化

图5中（a），（b）分别列出了辅助水射流压力分别为25MPa，35MPa和45MPa，55MPa时截齿受力与截齿单独破岩时截齿受力的对比。从图5（a）可以看出，当水射流压力为25MPa，35MPa时截齿受力与机械截齿单独破岩相比整体水平未见降低，部分峰值略有降低；从图5（b）可以看出，当辅助射流压力为45MPa时，截齿受力整体水平略有降低，大部分截割力峰值小于截齿单独破岩；当辅助射流压力为55MPa时，与截齿单独破岩相比截割力明显地降低，随着水射流压力的增加，水射流的辅助作用越发明显，致使截割力峰值出现时刻发生变化。岩石模型的屈服强度设置为39MPa，在水射流压力低于岩石强度时，高压水射流的辅助作用不明显，未能使截割力整体水平下降；当水射流压力大于岩石破坏强度时，射流压力越大，截割力降低幅度越大；水射流的辅助破岩能使截割力峰值降低，从而降低截齿的最大受力水平，延长截齿的使用寿命。

图5　水射流辅助破岩截割力与截齿单独破岩截割力对比

在除射流压力以外的截割工况相同时，可对截割力在位移上积分，得出不同射流辅助截齿破岩消耗能量与截齿单独破岩消耗能量之比的位移曲线，可在一定程度上定性地反映水射流辅助截割比能耗相对于截齿单独破岩比能耗的大小。截齿截割相同的距离时（假定破岩体积相同），这期间的截割比能耗与消耗的能量成正比（图6）。

图6　不同射流辅助截齿破岩消耗能量与截齿单独破岩消耗能量之比的位移曲线

由图6可以看出，机械截齿在25MPa和35MPa的水射流辅助下，消耗能量比值在1附近且随着位移的增加而上下小幅波动，截割比能耗未见明显下降；45MPa高压水射流辅助机械截齿破岩时，消耗能量比值综合水平在1以下波动，截割岩石消耗能量比值小幅降低，即截割比能耗略有降低；55MPa高压水射流辅助机械破岩时，消耗能量比值-位移曲线在初始阶段就偏离数值1，消耗能量比值综合水平在85%左右，说明55MPa高压水射流辅助破岩使截割比能耗出现大幅降低。

在位移为7.5mm附近，4条曲线均出现波谷。在位移为7mm，即时刻3ms附近，截齿喷嘴截入岩石，与岩石共同形成密闭空间，高压水在密闭空间内无法喷出，射流动压转化成静压。在截齿作用下岩石产生裂纹，密闭空间的高压水进入裂纹发挥水楔作用，使裂纹进一步扩大。在截齿和高压水的共同作用下岩石破碎，大幅降低了截齿的受力，使4条曲线出现波谷。随着截齿完全切入岩石，水射流的辅助作用也趋于稳定，比能耗变化趋缓。

3　结 论

利用LS-DYNA仿真软件，采用有限单元法FEM、光滑粒子流体动力学方法SPH相结合的建模方法，对旋转破岩过程进行仿真研究。研究结果表明:

（1）破岩过程中刀尖前侧不断出现高应力区域，且高应力区的突然消失伴随着截齿受力的骤然大幅下降，间接证实了镐形截齿破岩过程中密实核的存在。

（2）高压水射流压力在岩石模型强度以下时，截齿受力整体水平未见明显改善；高压水射流压力大于岩石模型强度时，截齿受力综合水平降低；有水射流辅助的情况下，截割峰值均有不同程度的降低。

（3）在射流压力低于岩石强度时，截割比能耗未见明显改善；当射流压力大于岩石强度时，截割比能耗有明显的降低，且射流压力越大，比能耗降低幅度越大。

［1］Maurer W C.Advanced Drilling Techniques［M ］.Tulsa:The Petroleum Publishing Company，1980.

［2］WANG Ruihe.Study on Rock Breaking Mechanism under High Pressure Water Jet［M］.China University of Petroleum Press，2010，12-18.

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［4］Ni Hongjian，Wang Ruihe，Ge Hongkui.Numerical Simulation on Rock Breaking under High Pressure Water［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（4）:550-554.

［5］Wang Jianming，Gao Na，Gong Wenjun.Abrasive Water jet Machining Simulation by SPH Method［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2010（1）:227-234.

［6］Gong Wenjun，Wang Jianming，Gao Na.Numerical Simulation for Abrasive Water Jet Machining Based on ALE Algorithm［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2011（1）:247-253.

［7］Sevda Dehkhoda，Michael Hood.The Internal Failure of Rock Samples Subjected to Pulsed Water Jet Impacts［J］.International Journal of Rock Mechanics&Mining Sciences，2014（66）: 91-96.

［8］Liu X，Liu S，Ji H.Numerical research on rock breaking performance of water jet based on SPH［J］.Powder Technology，2015（286）:181-192.

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［10］Q.L.Qu，J.L.Wu，B.D.Guo，Numerical simulation of sphere impacting water by SPH with hydrodynamics，Adv.Mater.Res，2013（625）:104-108.

［11］Wu Xutao，Li Yaoli，Heping.Research on the material constants of the HJC dynamic constitutive model for concrete［J］.Chinese Journal of Applied Mechanics，2010，27（2）:340-344.

［责任编辑：徐亚军］

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多新型破岩方法中，最具潜力、效率最高，且最易于实现的破岩方式就是高压水射流辅助机械截齿破岩。

TD856.43

A

1006-6225（2016）04-0010-05

2016-01-08

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

江苏省自然基金项目（BK20151147）；中国博士后科学基金项目（2015M581880）

段新奇（1989-），男，河南周口人，硕士，主要从事掘进设备的设计工作。

［引用格式］段新奇，江红祥，郭楚文.中心式高压水射流辅助截齿旋转破岩数值研究［J］.煤矿开采，2016，21（4）：10-14.