Badanie charakterystyk drgań przy skrawaniu uprzednio pękniętej twardej skały przez kombajn chodnikowy

Dlaczego pękanie skały ma znaczenie pod ziemią

Gdy kopalnie i tunele schodzą głębiej w twardą skałę, maszyny, które ją rozdrabniają, pracują na granicy swoich możliwości. Kombajny chodnikowe – duże maszyny skrawające z wirującymi głowicami – muszą znosić ogromne siły, silne drgania i szybkie zużycie, gdy wgryzają się w twardą skałę. W tym badaniu zbadano prostą, ale skuteczną ideę: czy celowe wstępne spękanie skały może uczynić skrawanie płynniejszym, bezpieczniejszym i mniej szkodliwym dla maszyny?

Mądre łamanie skały

Zamiast polegać wyłącznie na sile, badacze zastosowali metodę zwaną mechanicznym wstępnym pęknięciem. Najpierw w ścianie skalnej wierci się otwory. Następnie do każdego otworu wprowadza się hydrauliczne urządzenie o kształcie klinu i powoli je rozpiera. Ponieważ skała jest znacznie słabsza na rozciąganie niż na ściskanie, stałe rozpychanie otwiera kontrolowane rysy biegnące od otworów ku powierzchni. W efekcie ściana skalna jest przekształcana w sieć uprzednio utworzonych linii uskokowych, więc gdy później przyjedzie kombajn, będzie skrawał osłabioną, już uszkodzoną skałę, a nie zwartą, nieprzerwaną ścianę.

Budowa wirtualnej ściany skalnej i maszyny

Aby zbadać ten proces bezpiecznie i tanio, zespół zbudował szczegółowe modele komputerowe zamiast eksperymentować wyłącznie pod ziemią. Przedstawili ścianę skalną jako gęste ugrupowanie wirtualnych cząstek połączonych wiązaniami, które mogły pękać i tworzyć rysy. Pozwoliło to symulować, jak rysy rozpoczynają się i rozprzestrzeniają, gdy klin hydrauliczny rozpycha się we wnętrzu wierconych otworów. Równolegle stworzyli trójwymiarowy model rzeczywistego kombajnu – łącznie z elastycznym ramieniem skrawającym i obracanym stołem kierującym – aby zobaczyć, jak maszyna się odkształca i drga podczas pracy.

Interakcja skały i maszyny

Kluczowym krokiem było umożliwienie wymiany informacji między tymi dwoma modelami w czasie rzeczywistym. Gdy wirtualna głowica skrawająca poruszała się i obracała w kierunku skały, model skały zwracał maszynie siły wynikające z niezliczonych drobnych kontaktów. Ta dwukierunkowa wymiana odzwierciedlała zarówno sposób, w jaki skała się łamała, jak i to, jak maszyna w odpowiedzi się trzęsła. Badacze przeprowadzili dwie scenariusze przy tych samych warunkach skrawania: jeden ze zwartą ścianą twardej skały i drugi, w którym najpierw wykonano trzy wstępne pęknięte otwory, tak jak w rzeczywistej operacji wstępnego pękania.

Niższe obciążenia i spokojniejsze drgania

Symulacje wykazały, że wstępne pękanie ułatwia pracę kombajnu. W porównaniu średnie obciążenie głowicy skrawającej spadło o około 8 procent, a wahania tego obciążenia – nagłe skoki mogące uszkodzić elementy – również zmniejszyły się. Patrząc na kierunki osobno, siły ciągnące maszynę do przodu, nacisk boczny w stronę skały oraz nacisk w górę i w dół wszystkie były mniejsze, gdy obecne były rysy. Po przekształceniu sygnałów drgań na wykresy częstotliwości znaleziono, że większość energii drgań skupia się w zakresie 20–30 Hz. W tym paśmie drgania przy głowicy skrawającej, ramieniu skrawającym i stole obrotowym spadły odpowiednio o około 15, 9 i 4 procent po wstępnym pęknięciu, co ujawnia wyraźne stopniowe osłabienie drgań wzdłuż maszyny.

Weryfikacja modelu w rzeczywistych warunkach

Aby upewnić się, że wyniki wirtualne odzwierciedlają rzeczywistość, badacze przeprowadzili testy w pełnej skali z rzeczywistym kombajnem skrawającym bloki mułowca, zarówno z wstępnymi pęknięciami, jak i bez nich. Umieścili trójosiowe czujniki drgań na głowicy skrawającej i ramieniu oraz porównali pomiary z symulacjami. Kształt i amplituda sygnałów drgań, szczególnie w kierunku pionowym, były bliskie; zgodność statystyczna była bardzo wysoka. To potwierdziło, że połączony model skała–maszyna wiernie oddaje, jak wstępne pękanie wpływa zarówno na siły skrawania, jak i na drgania.

Co to oznacza dla przyszłego drążenia

Dla osoby niebędącej specjalistą wniosek jest prosty: osłabiając twardą skałę w kontrolowany sposób przed skrawaniem, można przekształcić brutalny, młotkowaty proces w coś płynniejszego i bardziej przewidywalnego. Starannie rozmieszczone otwory wstępnego pęknięcia zmniejszają sztywność masy skalnej, kierują sposobem jej łamania i przez to obniżają zarówno średnie obciążenie, jak i gwałtowne drgania, które muszą znosić kombajny. To może wydłużyć żywotność maszyny, obniżyć koszty konserwacji i poprawić bezpieczeństwo pracowników, szczególnie w głębokich tunelach o wysokim naprężeniu. Choć potrzebne są dalsze badania dotyczące długoterminowego zużycia i szerszego spektrum typów skał, badanie pokazuje, że inteligentne przygotowanie skały może być równie ważne jak moc maszyny, która ją skrawa.

Cytowanie: Liu, H., Li, F., He, J. et al. Study on vibration characteristics of roadheader cutting pre-cracked hard rock. Sci Rep 16, 5933 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37089-7

Słowa kluczowe: drążenie w twardej skale, drgania kombajnu chodnikowego, mechaniczne wstępne pęknięcie, skrawanie skały, górnictwo podziemne