gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2018-4-41-50gscience-126Research ArticleMINING MACHINERY, TRANSPORT, AND MECHANICAL ENGINEERINGГОРНЫЕ МАШИНЫ, ТРАНСПОРТ И МАШИНОСТРОЕНИЕForeign experience in using wedge disk rolling cutters for equipping tunneling shieldsЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КЛИНОВИДНЫХ ДИСКОВЫХ ШАРОШЕК ПРИ ОСНАЩЕНИИ ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКИХ ЩИТОВАверинЕ. А.AverinE. A.ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод»РоссияLLC "Skuratovsky skilled and experimental plant"Russian Federation201831122018044150Copyright © Averin E.A., 20182018Аверин Е.А.Averin E.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/126

In the foreign practice of designing and operating tunneling shields, it is now customary to equip the tunneling systems with large diameter CCS type disk rolling cutters. However, there is another type of disk rolling cutters for rock breaking, wedge disk rolling cutters, which, as practice shows, in some situations can provide higher work efficiency than the standard tool. Domestic researches in this field comes down mainly to the study of wedge disk rolling cutters of relatively small diameter for equipping boom ripper tunneling machines. However, this experience cannot be applied to the operation of tunneling systems; therefore, the study of foreign experience on this issue is advisable. This paper presents analysis of comprehensive studies conducted by foreign experts in the construction of various purpose tunnels in Turkey in the first decade of this century. These studies include determining wide range of physical and technical properties of rocks, performing laboratory and field tests to determine power characteristics of the rock breakage process, comparing laboratory, field and theoretical calculated values of power and energy performance of tunneling systems. Based on findings of the tests it was found that rock breakage efficiency is determined not only by the rock strength, but also by its structural and texture features. Differences were observed when comparing the laboratory experiment data with the field data, and when comparing the laboratory and field values of disk rolling cutter cutting force in the process of rock breakage with the theoretically calculated values. In addition, breakage of viscous non-abrasive rocks with small amount of mineral inclusions or, with certain reservations, breakage of very strong and abrasive rocks should be referred to promising applications for wedge frontal disk rolling cutters. Not all conclusions made on the basis of the analysis coincide with the opinions of the authors of the initial studies, therefore, for more complete understanding of the topic, it is recommended to read the literature (especially foreign one) included in the list of cited sources.

В зарубежной практике проектирования и эксплуатации горнопроходческих машин для проведения тоннелей в настоящее время принято оснащать тоннелепроходческие щитовые комплексы дисковыми шарошками типа CCS большого диаметра. Вместе с тем существует еще один тип дискового инструмента для разрушения горных пород – клиновидные лобовые шарошки, которые, как показывает практика, в некоторых ситуациях могут обеспечивать большую эффективность работ, чем стандартный инструмент. Отечественные исследования в данном направлении сводятся в основном к изучению клиновидных дисковых шарошек относительно небольшого диаметра для оснащения ими стреловидных проходческих комбайнов. Однако данный опыт не может быть применен в случае необходимости к эксплуатации щитовых тоннелепроходческих комплексов, поэтому изучение зарубежного опыта по данному вопросу является целесообразным. В представленной работе приводится анализ комплексных исследований, проведенных зарубежными специалистами в процессе строительства тоннелей различного назначения в Турции в первом десятилетии нынешнего века. Данные исследования включают определение широкого спектра физикотехнических свойств горных пород, проведение лабораторных и натурных (полевых) испытаний по определению силовых характеристик процесса разрушения горных пород, сопоставление лабораторных, натурных и теоретических расчетных значений силовых и энергетических показателей работы щитовых тоннелепроходческих комплексов. В результате проведенных испытаний было установлено, что эффективность разрушения горных пород определяется не только их прочностью, но и структурными и текстурными особенностями. Различия наблюдались и при сравнении данных лабораторных экспериментов с натурными данными, и при сравнении лабораторных и натурных значений усилий на шарошках в процессе разрушения горных пород с теоретическими расчетными значениями. Кроме того, к перспективным направлениям применения клиновидных лобовых дисковых шарошек следует отнести разрушение вязких неабразивных пород с небольшим количеством минеральных включений или, с некоторыми оговорками, разрушение весьма крепких и абразивных горных пород. Не все выводы, сделанные на основании проведенного анализа, совпадают с мнениями авторов исходных исследований, поэтому для более полного понимания темы рекомендуется ознакомиться с литературой (особенно зарубежной) из списка цитированных источников.

дисковая шарошкамеханическое разрушениетоннельтоннелепроходческий комплексзарубежный опытвыявление перспективусилие резанияобласть примененияdisk rolling cuttermechanical breakagetunneltunneling systemforeign experienceidentifying prospectscutting forcefield of applicationReferencesХорешок А.А., Кузнецов В.В., Борисов А.Ю. Обоснование геометрических параметров дискового инструмента для исполнительных органов проходческих комбайнов // Горное оборудование и электромеханика. – 2008. – № 2. – С. 11-13.Horeshok A.A., Kuznecov V.V., Borisov A.Ju. Obosnovanie geometricheskih parametrov diskovogo instrumenta dlja ispolnitel'nyh organov prohodcheskih kombajnov [Substantiation of ge-ometrical parameters of the disk tool for the cutting heads of the roadheaders]. Gornoe oborudovanie i jelektromehanika. – 2008. – No. 2. – Pp. 11-13. In Russ.Перспективы применения дискового инструмента для коронок проходческих комбайнов / А.А. Хорешок, Л.Е. Маметьев, В.В. Кузнецов, А.Ю. Борисов // Вестник КузГТУ. – 2010. – № 1. – С. 52–54.Horeshok A.A., Mamet'ev L.E., Kuznecov V.V., Borisov A.Ju. Perspektivy primenenija diskovogo instrumenta dlja koronok prohodcheskih kombajnov [Perspectives of applying of the disk cutter for bits of heading machines]. Vestnik KuzGTU. – 2010. – No. 1. – Pp. 52–54. In Russ.Хорешок А.А., Кузнецов В.В., Борисов А.Ю. Прогнозирование максимального объема разрушенного материала дисковым инструментом // Горный информационноаналитический бюллетень (научнотехнический журнал). – 2011. – № 9. – С. 299–304.Horeshok A.A., Kuznecov V.V., Borisov A.Ju. Prognozirovanie maksimal'nogo ob'ema razrushennogo materiala diskovym instrumentom [Prediction of the maximum volume of the mate-rial destroyed by disk cutter]. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten' (nauchno-tehnicheskij zhurnal). – 2011. – No. 9. – Pp. 299–304. In Russ.Распределение напряжений в узлах крепления дискового инструмента на коронках проходческих комбайнов / А.А. Хорешок, Л.Е. Маметьев, В.В. Кузнецов, А.Ю. Борисов, А.В. Воробьев // Вестник КузГТУ. – 2012. – № 6. – С. 34–40.Horeshok A.A., Mamet'ev L.E., Kuznecov V.V., Borisov A.Ju., Vorob'ev A.V. Raspredelenie naprjazhenij v uzlah kreplenija diskovogo instrumenta na koronkah prohodcheskih kombajnov [Distribution of pressure in knots of fastening of the disk tool on the crowns of heading machines]. Vestnik KuzGTU. – 2012. – No. 6. – Pp. 34–40. In Russ.Основные этапы разработки и моделирования параметров дискового инструмента проходческих и очистных горных машин / А.А. Хорешок, Л.Е. Маметьев, А.М. Цехин, В.И. Нестеров, А.Ю. Борисов // Горное оборудование и электромеханика. – 2015. – № 7. – С. 9–16.Horeshok A.A., Mamet'ev L.E., Cehin A.M., Nesterov V.I., Borisov A.Ju. Osnovnye jetapy razrabotki i modelirovanija parametrov diskovogo instrumenta prohodcheskih i ochistnyh gornyh mashin [The Main Stages of Development and Modeling Parameters of the Disk Tool Roadheaders and Shearers]. Gornoe oborudovanie i jelektromehanika. – 2015. – No. 7. – Pp. 9–16.Rostami J. Study of pressure distribution within the crushed zone in the contact area between rock and disc cutters // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. – 2013. – Т. 57. – Pp. 172-186.Rostami J. Study of pressure distribution within the crushed zone in the contact area be-tween rock and disc cutters. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. – 2013. – Vol. 57. – P. 172-186.Li F., Cai Z., Kang Y. A Theoretical Model for Estimating the Wear of the Disc Cutter // Applied Mechanics and Materials. – 2011. – Т. 90-93. – Pp. 2232-2236.Li F., Cai Z., Kang Y.A Theoretical Model for Estimating the Wear of the Disc Cutter. Applied Mechanics and Materials. – 2011. – Vol. 90-93. – Pp. 2232-2236.Tumac D., Balci C. Investigations into the cutting characteristics of CCS type disc cutters and the comparison between experimental, theoretical and empirical force estimations // Tunnelling And Underground Space Technology. – 2015. – Т. 45. – Pp. 84-98.Tumac, D., Balci C. Investigations into the cutting characteristics of CCS type disc cutters and the comparison between experimental, theoretical and empirical force estimations. Tunnelling And Underground Space Technology. 2015. – Vol. 45. – Pp. 84-98.Maidl B., Schmid L., Ritz W., Herrenknecht M. Hardrock Tunnel Boring Machines. Berlin: Ernst and Son. 2008. – 343 p.Maidl B., Schmid L., Ritz W., Herrenknecht M. Hardrock Tunnel Boring Machines. Berlin: Ernst and Son. 2008. – 343 p.Zhabin A., Polyakov A., Averin E. Scale factors for conversion of forces on disc cutters for the main domestic and foreign methods // Mining of Mineral Deposits. – 2017. – Т. 11. – № 3. – Pp. 50-55.Zhabin A., Polyakov A., Averin E. [Scale factors for conversion of forces on disc cutters for the main domestic and foreign methods] Mining of Mineral Deposits. – 2017. – Vol. 11. – No. 3. – Pp. 50-55.Bilgin N., Copur H., Balci C. Mechanical excavation in mining and civil industries. CRC Press, 2013. – 353 С.Bilgin N., Copur H., Balci C. Mechanical excavation in mining and civil industries. Boca Raton-London-New York: CRC Press, 2013. – 353 P.Bilgin N., Copur H., Balci C. Effect of replacing disc cutters with chisel tools on performance of a TBM in difficult ground conditions // Tunnelling and Underground Space Technology. – 2012. – Т. 27. – №. 1. – Pp. 41-51.Bilgin N., Copur H., Balci C. Effect of replacing disc cutters with chisel tools on per-formance of a TBM in difficult ground conditions. Tunnelling and Underground Space Technology. – 2012. – Vol. 27. – No. 1. – Pp. 41-51.Guclucan Z. и др. The use of a TBM in difficult ground conditions // Proceedings of the 2nd Symposium on Underground Excavations for Transportation, Istanbul, Turkey. – 2007. – Pp. 83-91. (на турецком языке).Guclucan Z. et al. The use of a TBM in difficult ground conditions. Proceedings of the 2nd Symposium on Underground Excavations for Transportation, Istanbul, Turkey. – 2007. – Pp. 83-91. (in Turkish).Guclucan Z. и др. The use of a TBM in difficult ground conditions in Beykoz–Kavacik Sewerage Tunnel // Proceedings of the World Tunnelling Congress, Underground Facilities for Better Environment and Safety, Agra, India. – 2008. – Pp. 1630-1638.Guclucan Z. et al. The use of a TBM in difficult ground conditions in Beykoz–Kavacik Sewerage Tunnel. Proceedings of the World Tunnelling Congress, Underground Facilities for Bet-ter Environment and Safety, Agra, India. – 2008. – Pp. 1630-1638.Guclucan Z. и др. The use of theoretical rock cutting concepts in explaining the cutting performance of a TBM using different cutter types in different rock formations and some recommendations // Proceedings of World Tunnelling Congress, Safe Tunnelling for the City and for the Environment, Budapest, Hungary. – 2009. – Pp. 487-489.Guclucan Z. et al. The use of theoretical rock cutting concepts in explaining the cutting performance of a TBM using different cutter types in different rock formations and some recom-mendations. Proceedings of World Tunnelling Congress, Safe Tunnelling for the City and for the Environment, Budapest, Hungary. – 2009. – Pp. 487-489.Balci C., Tumac D. Investigation into the effects of different rocks on rock cuttability by a V-type disc cutter // Tunnelling and underground space technology. – 2012. – Т. 30. – Pp. 183-193.Balci C., Tumac D. Investigation into the effects of different rocks on rock cuttability by a V-type disc cutter. Tunnelling and underground space technology. – 2012. – Vol. 30. – Pp. 183-193.Roxborough F.F., и др. Fundamental studies on the mechanics of cutting rock with discs // Third Australian Tunnelling Conference: Preprints of Papers. – Institution of Engineers, Australia, 1978. – Pp. 43-47.Roxborough F.F., et al. Fundamental studies on the mechanics of cutting rock with discs. Third Australian Tunnelling Conference: Preprints of Papers. – Institution of Engineers, Australia, 1978. – Pp. 43-47.Roxborough F. F., Phillips H. R. Rock excavation by disc cutter // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. – 1975. – Т. 12. – №. 12. – Pp. 361-366.Roxborough F. F., Phillips H. R. Rock excavation by disc cutter. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. – 1975. – Vol. 12. – No. 12. – Pp. 361-366.Rostami J., Ozdemir L. A new model for performance prediction of hard rock TBMs // Proceedings of the rapid excavation and tunneling conference. – Society for mining, metallurgy & exploration, Inc. – 1993. – Pp. 793-793.Rostami J., Ozdemir L. A new model for performance prediction of hard rock TBMs. Proceedings of the rapid excavation and tunneling conference. – Society for mining, metallurgy & exploration, Inc. – 1993. – Pp. 793-793.Rostami J., Ozdemir L., Nilson B. Comparison between CSM and NTH hard rock TBM performance prediction models // Proceedings of Annual Technical Meeting of the Institute of Shaft Drilling Technology, Las Vegas. – 1996. – Pp. 1-10.Rostami J., Ozdemir L., Nilson B. Comparison between CSM and NTH hard rock TBM performance prediction models. Proceedings of Annual Technical Meeting of the Institute of Shaft Drilling Technology, Las Vegas. – 1996. – Pp. 1-10.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.