全断面隧道掘进机（TBM）在矿井开采中应用逐渐推广，坚硬围岩巷道与隧道施工过程中存在掘进困难、刀具损耗严重的问题，如何实现高强度高磨蚀性地层安全掘进对于指导地下工程建设和能源开发等具有重要意义。为此，本文提出低压磨料空射流切槽辅助滚刀破硬岩技术思路。基于低压磨料空气射流辅助滚刀破岩综合实验平台，研究不同切槽深度对滚刀破岩刀具受力和岩石破碎的影响。采用PFC数值分析不同切槽深度下刀具垂直载荷、裂纹扩展、比能耗和岩石应力场等变化规律，进一步解释切槽辅助滚刀破岩过程中刀具受力减小原因。形成以下主要结论：切槽底端是滚刀破岩过程应力集中区域，主裂纹从滚刀与岩石作用位置到切槽底端扩展贯通，当切槽深度大于8mm后形成滚刀压痕处高、切槽底端低的“岩脊”状岩石破坏特征，随着切槽深度增加，岩脊高度逐渐变大。切槽后主裂纹与切槽边缘和岩石断面贯通，呈现三角状岩石破碎体，切槽深度越大，岩石块状破碎体的体积越大，同时滚刀最大垂直载荷越小，数值模拟结果与相关实验结果具有一致性。低压磨料空气射流切槽为20mm时，滚刀最大垂直载荷为不切槽时的68%。切槽过后滚刀破岩过程中刀具两侧岩石应力减小，进一步使滚刀破岩过程刀具传递力的大小降低并朝着切槽底端传递，切槽起到移除侧向约束的作用，降低了刀具贯入的垂直载荷，形成大块状的岩石破碎体，从而减小破岩比能耗。

1 滚刀破岩实验
1.1 实验系统
1.2 实验方案
1.3 实验结果分析
1.3.1 破坏形态
1.3.2 滚刀受力分析
2 切槽辅助滚刀数值模拟
2.1 数学模型
2.2 参数标定
2.3 模拟方案
2.4 数值模拟结果与分析
2.4.1 裂纹扩展特征
2.4.2 岩石应力场分析
3 讨论
4 结论

张宏图,杨耀浦,刘勇等.低压磨料空气射流切槽辅助TBM滚刀破岩规律研究[J/OL].煤炭学报:1-12[2023-11-03].DOI:10.13225/j.cnki.jccs.2023.0770.