Исследование вибрационных характеристик резания предварительно рассечённой твёрдой породы дорожным комбайном

Почему растрескивание породы важно под землёй

По мере того как шахты и туннели углубляются в твёрдую породу, машины, которые её разрушают, работают на пределе своих возможностей. Дорожные комбайны — крупные режущие машины с вращающимися головками — испытывают большие силы, сильную вибрацию и быстрый износ при работе по прочной породе. В этом исследовании рассматривается простая, но эффективная идея: если заранее преднамеренно создать трещины в породе, можно ли сделать резание более плавным, безопасным и менее вредным для машин?

Разумный способ разрушения породы

Вместо того чтобы полагаться только на грубую силу резания, исследователи применяют метод, называемый механическим предварительным растрескиванием. Сначала в породе сверлят отверстия. Затем в каждое отверстие вставляют гидравлическое устройство в форме клина и медленно выдвигают его наружу. Поскольку порода гораздо слабее на растяжение, чем на сжатие, такое равномерное выдвижение создаёт контролируемые трещины, распространяющиеся от отверстий к поверхности. Фактически забой превращается в сеть заранее созданных линий разлома, так что при последующем подходе комбайна он обрабатывает ослабленную, предварительно повреждённую породу, а не цельную, неразбитую стену.

Создание виртуальной стенки породы и машины

Чтобы изучить этот процесс безопасно и экономично, команда построила подробные компьютерные модели вместо того, чтобы экспериментировать только под землёй. Они смоделировали стенку породы как плотную упаковку виртуальных частиц, скреплённых между собой так, чтобы эти связи могли разрушаться и образовывать трещины. Это позволило им имитировать, как возникают и распространяются трещины при вводе гидравлического клина в просверленные отверстия. Параллельно они создали трёхмерную модель реального дорожного комбайна — включая гибкую режущую стрелу и вращающийся стол, который её направляет — чтобы увидеть, как машина гнётся и вибрирует в процессе работы.

Взаимодействие породы и машины

Ключевой шаг заключался в том, чтобы заставить эти две модели обмениваться данными в реальном времени. По мере того как виртуальная режущая головка входила и вращалась в породе, модель породы возвращала силы от бесчисленных мелких контактов обратно в модель машины. Этот двунаправленный обмен воспроизводил и разрушение породы, и то, как при этом трясётся машина. Исследователи провели два сценария при одинаковых условиях резания: один с цельной стенкой твёрдой породы и другой, где предварительно были выполнены три рассечённых отверстия, как в реальной операции по предварительному растрескиванию.

Меньшие нагрузки и более спокойная вибрация

Симуляции показали, что предварительное растрескивание облегчает работу дорожного комбайна. В среднем суммарная нагрузка на режущую головку снизилась примерно на 8 процентов, а колебания этой нагрузки — резкие пики, способные повреждать узлы — также стали меньше. По отдельным направлениям силы, тянущие машину вперёд, толкающие её в сторону вглубь породы и воздействующие вверх/вниз, все уменьшились при наличии трещин. При преобразовании вибрационных сигналов в частотные спектры оказалось, что большая часть энергии вибрации сосредоточена в диапазоне 20–30 Гц. В этой полосе вибрация у режущей головки, у режущей стрелы и у поворотного стола снизилась примерно на 15, 9 и 4 процента соответственно после предварительного растрескивания, что показывает постепенное ослабление вибрации вдоль машины.

Проверка модели в реальном мире

Чтобы убедиться, что виртуальные результаты соответствуют реальности, исследователи провели полноразмерные испытания с настоящим дорожным комбайном, который резал блоки алевролита (siltstone) с и без предварительно рассечённых отверстий. Они установили трёхосные виброизмерительные датчики на режущей головке и стрелe и сравнили измерения с результатами симуляций. Форма и амплитуда вибрационных сигналов, особенно по вертикальному направлению, совпали довольно близко; статистическое соответствие было очень высоким. Это придало уверенности в том, что объединённая модель порода–машина адекватно отражает, как предварительное растрескивание влияет на силы резания и вибрацию.

Что это значит для будущей проходки

Для непрофессионала вывод прост: ослабив твёрдую породу контролируемым образом до резания, можно превратить грубый, долбящий процесс в более плавный и предсказуемый. Тщательно расположенные отверстия для предварительного растрескивания уменьшают жёсткость горной массы, направляют её разрушение и тем самым снижают и среднюю нагрузку, и сильную вибрацию, которую испытывают дорожные комбайны. Это может продлить срок службы машин, сократить затраты на обслуживание и повысить безопасность для рабочих, особенно в глубоких, высоконапряжённых туннелях. Хотя требуются дополнительные исследования, чтобы охватить долговременный износ и более широкий класс пород, это исследование показывает, что грамотная подготовка породы может быть так же важна, как мощность режущей машины.

Цитирование: 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

Ключевые слова: проходка в твёрдых породах, вибрация дорожного комбайна, механическое предварительное растрескивание, резание горной породы, подземная добыча