路面掘进机切削预裂硬岩振动特性研究

为什么地下预裂重要

随着矿井和隧道向更深处推进，切削坚硬岩石的设备面临极限挑战。路面掘进机——带有旋转刀头的大型切削设备——在切入坚硬岩石时会承受巨大力、强烈振动和快速磨损。本研究探讨了一个简单却有效的想法：如果在切削前有意对岩石进行预先裂缝处理，能否让切削过程更平稳、更安全、对设备的损伤更小？

更聪明的破裂方式

研究者没有仅依赖蛮力切削，而是采用称为机械预裂的方法。首先，在岩面上钻孔；然后将一个楔形的液压装置插入孔内并缓慢向外推开。由于岩石在拉伸方向上远比在压缩方向上脆弱，这种持续的外推会打开从孔向表面延伸的可控裂缝。实际上，岩面被转变为一张预先形成的断裂网络，这样当路面掘进机到来时，它切削的是被削弱、已经受损的岩块，而不是一整块完整的岩墙。

构建虚拟岩墙与机器模型

为了以安全且低成本的方式研究这一过程，团队构建了详尽的计算机模型，而不是仅在地下进行实测。他们把岩墙表示为由许多虚拟颗粒通过粘结连接在一起的致密集合，这些粘结可以破裂并形成裂缝。这样可以模拟当液压楔在钻孔内推进时裂缝如何起始与扩展。与此同时，他们建立了一个三维的路面掘进机模型——包括灵活的切削臂与转动导向的台盘——以观察机器在工作时如何弯曲与振动。

让岩体与机器相互作用

关键步骤是让这两个模型实时交互。当虚拟切削头移动并旋转进入岩体时，岩体模型会将无数微小接触产生的力反馈给机器模型。这种双向交换再现了岩石破碎的过程以及机器随之产生的振动。研究人员在相同切削条件下运行了两种情景：一种是完整的硬岩墙，另一种是先按真实预裂作业打开了三个预裂孔。

更轻的载荷与更平稳的振动

模拟表明，预裂确实使路面掘进机的工作明显变得更轻松。总体而言，切削头承受的平均载荷约下降了8%，载荷的波动——可能损坏零件的突发峰值——也变小了。分方向看，推动机器前进的力、侧向压入岩体的力以及上下方向的压力在出现裂缝后均有所降低。当研究团队把振动信号转换为频谱时，发现大部分振动能量集中在20至30赫兹的范围。在该频段内，切削头、切削臂和转盘的振动分别约下降了15%、9%和4%，显示出沿机器逐步减弱的振动特征。

在现实中检验模型

为确保虚拟结果反映现实，研究人员用实际路面掘进机在粉砂岩块上进行了全尺度试验，分别在有无预裂孔的情况下切削。他们在切削头和切削臂上安装了三向振动传感器，并将测得数据与模拟结果进行比对。振动信号的形状与强度，尤其是垂直方向，与模拟高度吻合；统计学上的一致性很高。这增强了对该岩—机联合模型能真实反映预裂如何改变切削力与振动的信心。

对未来掘进的意义

对非专业读者来说，结论很直接：通过在切削前以可控方式削弱硬岩，你可以把一种粗暴、锤击式的过程变成更平稳、更可预测的工作。合理间距布置的预裂孔降低了岩体的刚度，引导其断裂方式，从而降低了平均载荷和路面掘进机所承受的剧烈振动。这有助于延长设备寿命、降低维护成本并提高工人安全性，尤其是在深部高应力隧道中。尽管还需进一步研究长期磨损和更多岩性类型，但本研究表明，对岩体的巧妙预处理可以与切削设备本身的动力性能同样重要。

引用: 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

关键词: 硬岩掘进, 路面掘进机振动, 机械预裂, 岩石切削, 地下采矿