基于特征粒径的盘形滚刀破岩最优贯入度分析.pdf

基于特征粒径的盘形滚刀破岩最优贯入度分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版文章编号：1009-6582（2023）04-0147-06DOI:10.13807/ki.mtt.2023.04.016收稿日期：2023-05-07修回日期：2023-05-29基金项目：河南省科技攻关项目（212102210228；232102320014）；河南工业大学青年骨干教师培育计划（21420101）.作者简介：翟淑芳（1989-），女，博士，副教授，主要从事 TBM 破岩机制方面的研究工作，E-mail:.通讯作者：岳奇超（1993-），男，硕士研究生，主要从事特征粒径理论的研究工作，E-mail:.引文格式：翟淑芳，杜红坤，岳奇超，等.基于特征粒径的盘形滚刀破岩最优贯入度分析J.现代隧道技术,2023,60(4):147-152+162.ZHAI Shufang,DU Hongkun,YUE Qichao,et al.Analysis of the Optimal Penetration of Disc Cutter in Rock BreakingBased on Characteristic Particle SizeJ.Modern Tunnelling Technology,2023,60(4):147-152+162.1引 言近年来，随着城市交通的发展，地铁建设逐步普及，高效、安全的破岩方法对施工来说至关重要。其中隧道掘进机（tunnel boring machine，简称TBM）因有施工质量好、效率高、施工距离长等诸多优点，被广泛应用于各种隧道工程的施工。TBM对所掘进的地层具有很强的针对性，在不同的地质环境中需要配置不同的刀盘刀具和机械操作参数。TBM刀盘安装在TBM掘进机的前部，在进行破岩工作时直接破碎岩体，将承受大部分的力，掘进机刀盘上的滚刀和切刀是破碎岩体时最主要的部件，破岩刀具的工作状态决定了TBM破岩效率和掘进速率。其中盘形滚刀是TBM刀盘上一种常见的刀具类型，适用于各类岩石地层及混合地层，在各种隧道机械化掘进设备上广泛使用，该类型的刀具在各类实际工程中呈现出极佳的破碎效果。在破岩过程中，掘进机的推力和扭矩是盘形滚刀破碎岩体的关键，其主要通过让滚刀产生连续旋转滚压并使刀圈部分与岩体接触来进行破岩。然而，盘形滚刀是易损耗部件，存在使用寿命低的问题，在对某实际工程的掘进机工作数据进行分析发现：当盘形滚刀因刀具断裂、偏磨、弦磨、漏油等故障而失去破岩能力时，恢复正常施工需要等待总施工时间的33%且刀具费用也占隧道施工成本的1/3。为了提高盘形滚刀的寿命，在地质环境和TBM刀盘类型及参数确定的情况下，设置合适的贯入度是一种有效的解决方法，在TBM掘进过程中，设置破岩时的最优贯入度对实际的施工过程具有重要意义。TBM掘进过程是破岩刀具对地层岩石的破碎过程，岩石破碎后产生大小不一的岩片，岩片的长度、宽度、厚度和粒径分布是根据岩石性质优化掘进机参数的几个重要参考因素，岩片的特性同岩石的物理力学参数有关，且随滚刀间距和推力的变化而变化。TBM的破岩效率和耗能大小可由破岩时形成岩片的大小和粒径分布直接反映。按照刀具破岩基于特征粒径的盘形滚刀破岩最优贯入度分析翟淑芳1，2杜红坤1岳奇超1吴 帆3龚秋明4（1.河南工业大学土木工程学院，郑州 450001；2.河南省现代绿色生态仓储体系国际联合实验室，郑州 450001；3.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100000；4.北京工业大学 城市防灾与减灾教育部重点实验室，北京 100124）摘要：基于北京工业大学机械破岩平台，对泥岩和青砂岩组合的复合岩体进行盘形滚刀线性切割试验，探索盘形滚刀破岩后的岩渣特性与贯入度的关系。试验过程中设置6组不同的贯入度（1.0 mm、3.0 mm、5.0 mm、7.0 mm、9.0 mm和11.0 mm），收集不同贯入度下滚刀破岩产生的岩渣，使用Rosin-Rammler函数分析岩渣数据，引入特征粒径理论分析滚刀破岩时的最优贯入度，提出一种基于特征粒径理论确定最优贯入度的方法。通过对比分析，发现利用特征粒径理论得到的最优贯入度与通过比能得到的最优贯入度一致，验证了所提方法的有效性，且该方法更为直接、方便。关键词：盘形滚刀；线性破岩试验；特征粒径；最优贯入度中图分类号：U456文献标识码：A147基于特征粒径的盘形滚刀破岩最优贯入度分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版Vol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023理论1，破岩所产生岩片的尺寸越大，刀具的比能越小，掘进效率越佳。针对破岩后岩渣的分析，根据陈文莉等2的研究，对收集到的破碎岩片进行筛分，发现尽管采用不同的挖掘方式及掘进机械，但岩片粒径分布变化趋势近乎一致，且可以用 Rosin-Rammler函数对各种方法得到的岩片粒径进行拟合。闫长斌等3发现了岩渣粗糙程度和TBM破岩效率之间的关系。李 志等4通过对滚刀破碎花岗岩的岩渣分析，总结出镶齿滚刀切割花岗岩的规律。闫 铁等5对钻井过程中破碎岩渣的粒径分布、能量消散进行分析，建立了旋转钻井中钻头破碎岩石所需能量的分形描述模型。谭 昊等6通过对比多个滚刀法向力下岩渣粒径分布的累计概率曲线、特征粒径以及比能，得到滚刀法向力与岩渣特征粒径分布规律、特征粒径与比能的关系。宋克志等7在现场试验中，测量不同组的岩片试样的尺寸并进行筛分，使用概率统计论计算粒径并结合两种理论分布模型进行研究。方诗圣等8对镶齿滚刀破岩试验得到的岩渣进行粒径筛分和拟合，得到了岩渣特征粒径和破岩比能之间的关系。王立川等9使用ABAQUS-SPH 数值模拟方法模拟滚刀破岩过程中岩石的变形和破坏状态。耿 麒等10采用颗粒离散元方法构建两级TBM刀盘出渣过程数值模型，并进行缩比出渣试验验证了数值模型的可靠性。杜红劲等11依据颗粒形状特征，利用颗粒重构技术对具有真实颗粒形状的渣石进行三维重构，实现了具有真实颗粒形状特征渣石的三维运输过程模拟。不同工程所使用掘进机的类型各不相同，数值模拟不能全面体现复杂地质的各种条件，因此越来越多的研究者进行室内线性切割试验来研究滚刀对岩体的切削能力。线性切割试验已经成为研究滚刀破岩问题的一种可靠方法。国内外不少研究学者利用滚刀线性切割试验对盘形滚刀切割岩体时TBM掘进比能、岩渣粒径分布规律等进行了研究。Gertsch等12、Chang等13、Cho等14在花岗岩上进行了盘形滚刀线性切割试验，得到滚刀最优刀间距、贯入度与比能之间的关系。龚秋明等15通过分析滚刀的滚动力、法向力、比能和岩渣变化情况，得到了贯入度对滚刀破岩效率的影响。可见，利用滚刀线性切割试验可得到岩渣粒径大小及分布，通过直接对比或拟合滚刀贯入度与破岩比能，可得到破岩比能最小时的滚刀贯入度（即滚刀的最优贯入度）。综上，在TBM掘进过程中，可利用破碎的岩渣粒径分布状况来研究破岩时的滚刀最优贯入度，这对实际的施工过程具有重要意义，但鲜有盘形滚刀破岩过程中特征粒径与最优贯入度关系的机理研究。本文在前人研究的基础上，利用盘形滚刀线性切割试验平台进行复合岩体线性切割试验，对不同贯入度下的岩渣尺寸及粒径分布规律进行深入研究，引入特征粒径理论，从特征粒径角度得到滚刀破岩时的最优贯入度。2盘形滚刀线性破岩试验2.1滚刀线性破岩试验设计本次TBM滚刀线性破岩试验在北京工业大学机械破岩平台进行，平台实物如图1（a）所示。基于TBM滚刀的破岩过程及对滚刀受力分析发现，复合地层中TBM滚刀破岩可简化为滚刀对不同种类岩石破岩效果的组合，分析滚刀对不同种类岩石地层的破岩行为，可对复合地层的破岩规律进行研究。试验采用在TBM开挖隧道施工中经常遇到的青砂岩和泥岩组成的复合岩体，以期对类似地层条件下TBM 滚刀破岩施工提供参考。复合试样尺寸为980 mm980 mm600 mm，如图1（b）所示。青砂岩选自重庆，泥岩在实验室制备，泥岩的制备配合比为m(细砂)m(铁粉)m(水泥)m(高岭土)m(水)=1 1.1 0.8 0.56 0.71，两种岩石的物理力学性能如表1所示。破岩试验选用直径为 17 英寸(432 mm)的常截面盘形滚刀，刀间距设定为 80 mm，滚刀切割方向垂直于交界线。试验设置 6 级贯入度，分别为1.0 mm、3.0 mm、5.0 mm、7.0 mm、9.0 mm、11.0 mm，切割速度为80 mm/s。图1试验设备Fig.1 Test equipment148基于特征粒径的盘形滚刀破岩最优贯入度分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版表1试样力学参数Table 1 Mechanical parameters of sample材料类型青砂岩泥岩天然密度/(g cm-3)2.312.18弹性模量/GPa13.634.36内摩擦角/（）36单轴抗压强度/MPa60.768.40抗拉强度/MPa1.811.102.2滚刀线性破岩试验现象线性破岩试验过程中的盘形滚刀如图2所示，试验过程中，滚刀在青砂岩表面经过且贯入度比较小时，青砂岩表面存在大量粉末并形成密实核，压痕两边存在楔形的碎片，岩面呈现中间高两侧低的形态。逐渐增大贯入度时，青砂岩表面逐渐有片状岩屑形成且表面相对平坦。随着贯入度进一步增大，青砂岩表面形成的岩片形状多为菱形和锥形且表面非常粗糙不平，相邻切槽之间会有很多凹槽。滚刀在泥岩表面经过且贯入度比较小时，岩石表面形成的切槽比青砂岩表面切槽深，可以观察到切槽内有很多砂粒。增大贯入度切割时，由于滚刀对泥岩的挤压，切割槽之间有很多砂粒和角砾形成且泥岩表面很平坦。泥岩和青砂岩的物理力学参数有很大的不同，在两种岩石的交界面处可以观察到左右两边切割形成的岩片形状上存在着差异，贯入度为9.0 mm时岩面的岩渣形态如图3所示。图2 盘形滚刀线性破岩试验Fig.2 Linear rock breaking test with disc cutter2.3试验数据整理试验过程中分别收集两种岩石岩面岩屑，并在试验完成后使用11个粒径等级的国家新标准方孔石子筛对岩屑进行筛分，然后用电子秤依次称量单次试验各粒径等级区间岩渣的质量，岩渣数据见表2。3岩渣特征粒径分析滚刀最优贯入度图3 贯入度为9.0 mm时岩面的岩渣形态Fig.3 Rock debris form on rock surface with a penetration of9.0 mm3.1通过特征粒径确定最优贯入度岩渣是TBM掘进破岩过程的直接产物，破岩形成岩片的大小和粒径分布可直接反映TBM的破岩效率和耗能大小，而TBM破岩效率是评价TBM隧道施工经济效益最为重要的指标之一16。岩石破碎学1中指出：岩石的破碎产物粒度越细，所需要做的功也越多，减小破碎程度就可以节省能量消耗。闫长斌等3认为：当 TBM 破岩效率高时，滚刀切割岩石产生的片状岩渣较多，岩粉较少，而当 TBM 破岩效率低时，产生的片状岩渣较少，而岩粉会较多。实际上，贯入度是影响岩渣尺寸大小和粒径分布的主要因素之一17，在地质条件、所用滚刀尺寸确定的情况下，贯入度是影响破岩效果的重要掘进参数。将滚刀破岩过程产生的岩渣数据使用Rosin-Rammler分布进行拟合1，函数分布式为：y=(1-e-(xb)a)100%（1）式中：x为岩渣粒径；y为粒径x的累积概率；a和b是与分布特征有关的参数，其中a表示粒径的分布范围，a值越大说明粒度分布范围越窄。特征粒径大小可从某种角度上反映出岩块破碎后岩渣的特性及粉碎状况。特征粒径为当筛下累积岩渣重量占比为36.8%时所对应的粒径，即Rosin-Rammler分布曲线和y=36.8的交点所对应的横坐标值。统计各贯入度下试验得到的泥岩和青砂岩岩渣粒径，使用Rosin-Rammler分布函数进行拟合，关系曲线如图4所示。使用Origin软件提取工具获取不同贯入度下岩渣分布累积概率拟合曲线的特征粒径，各贯入度所对应的特征粒径如表3所示。由表3的数据可以看出，对比贯入度P=1.0 mm时的特征粒径，在P=3.0 mm，P=5.0 mm，P=7.0 mm，149基于特征粒径的盘形滚刀破岩最优贯入度分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版Vol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023P=9.0 mm，P=11.0 mm时，泥岩的特征粒径大小分别提升了约131%，157%，226%，299%，268%，青砂岩的特征粒径大小分别提升了约341%，535%，653%，821%，656%。总体来看，随着贯入度的不断增大，泥岩和青砂岩的破岩岩渣特征粒径也在逐渐增大，但在贯入度超过9.0 mm时，青砂岩岩渣的特征粒径开始明显变小，在贯入度从9.0 mm变化到11.0 mm时，特征粒径从9.21 mm减小至7.56 mm，相差1.65 mm；而泥岩的特征粒径虽然也在变小，但当贯入度从9.0 mm增至11.0 mm时，特征粒径仅减小了0.29 mm，变化并不明显。通过分析，产生上述试验现象的原因是随着贯入度的增大，滚刀受力不断增大，切割岩表2 岩渣数据Table 2Data of rock debris岩石类型青砂岩泥岩岩渣粒径/mm504031.5201052.51.250.630.3150504031.5201052.51.250.630.3150各级贯入度的岩渣质量/gP=1.0 mm021032530547529017595185300575000305355345235165155235285P=3.0 mm2307458801 3907854251451751852208250952555051 015550380205175200425P=5.0 mm3201 2001 8701 9506853502202252001951 1053654108051 415965485365315305540540P=7.0 mm3301 1551 0401 86565013012513516514580503353006851 015665355170180205340P=9.0 mm4501 5901 1051 73554528016511512018071004454659551 115730485195165195325P=11.0 mm2801 1609501 6805552551551109514574003654058801 280695515135180165415图4 岩渣粒径与累积概率的关系Fig.4 Relationship between particle size of rock debris and cumulative probability150基于特征粒径的盘形滚刀破岩最优贯入度分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版表3 不同贯入度下的特征粒径Table 3 Characteristic particle sizes under differentpenetrations岩石类型泥岩青砂岩各贯入度的特征粒径/mmP=1.00.951.0P=3.02.204.41P=5.02.456.35P=7.03.17.53P=9.03.799.21P=11.03.507.56石的体积也变大，破岩效率逐步提高，但当贯入度大于9.0 mm之后，虽然增加贯入度能使滚刀力增加，使破岩体积变大，但是过大的滚刀力也会造成岩石过度破碎，从而导致岩渣小粒径的岩粉比例增大，而大粒径岩渣数量并未明显增多，最终导致特征粒径尺寸减小，破岩效率降低。因此，根据特征粒径理论分析可以得到的青砂岩破岩滚刀最优贯入度为9.0 mm。在青砂岩和泥岩的复合岩体中，泥岩为软岩，青砂岩为硬岩，在贯入度大于9.0 mm时，青砂岩会出现过度破碎的情况，导致青砂岩破岩效率降低，继续增加贯入度会降低复合岩体整体的破岩效率。因此，在复合岩体中，使用硬岩的最优贯入度进行控制，会使复合岩体的破岩效率最高。3.2通过比能确定最优贯入度龚秋明等18通过对复合地层的两种岩石破岩数据处理，得到滚刀力(法向力Fn、滚动力Fr)、比能SE（比能SE定义为破碎单位体积岩体所消耗能量），比能越低，大岩片占比高的同时粉粒占比低，破岩效率越高。其计算公式为：SE=FrLV（2）式中：Fr为平均滚动力；V为破岩过程中产生岩渣的体积；L为滚刀切割岩体的长度。破岩比能计算结果如表4所示。由表4可知，贯入度小于3.0 mm时，比能较大，破岩效率较低，这主要是由于贯入度较小时，破岩过程中裂纹扩展有限，两滚刀间贯通裂纹较少，大岩片少；当贯入度为3.09.0 mm时，裂纹扩展逐渐加快，滚刀间作用效果增强，大岩片产生增多，比能处于缓慢降低状态，破岩效率稳步提高；但当贯入度大于9.0 mm 时，青砂岩破岩出现过度破碎现象，大岩片减少，比能上升，破表4 试验数据Table 4 Test data贯入度/mm1357911泥岩Fr/kN1.42.95.56.38.69.3SE/(MJm-3)41.627.224.720.715.413.2青砂岩Fr/kN3.26.410.814.619.925.5SE/(MJm-3)72.540.136.833.227.631.6岩效率降低。在贯入度为9.0 mm时，破岩效率最高，即青砂岩破岩滚刀最优贯入度为9.0 mm。通过特征粒径分析得到的滚刀破岩最优贯入度与通过比能计算分析得到的最优贯入度基本一致。4结 论本文使用北京工业大学的机械破岩平台进行TBM滚刀线性破岩试验，收集滚刀切割产生的岩渣并且进行筛分、称重，对不同贯入度下产生的岩渣特征粒径大小进行分析，得到滚刀破岩过程中的最优贯入度，主要结论如下：（1）通过分析盘形滚刀破岩试验所得到的泥岩和青砂岩的岩渣数据，提出一种基于特征粒径理论确定最优贯入度的方法，基于破岩过程产生的岩渣数据，使用Rosin-Rammler分布函数将收集到的岩渣数据进行拟合，得到各个贯入度下的岩渣特征粒径，通过对各个贯入度下的特征粒径大小的对比，可以直接得到盘形滚刀对青砂岩破岩的最优贯入度为9 mm，这与通过计算比能得到的最优贯入度基本一致，但采用特征粒径分析相对于计算破岩比能更为直接、方便。（2）在破岩的过程中，产生的岩片和岩粉的数量会随着贯入度的增加而变多，但是大岩片的比例却不是一直增多，因此增加贯入度并不能一直提高破岩效率。增加贯入度会使特征粒径出现先增大后变小的变化，即破岩效率会先增加后降低，存在一个最优的贯入度使破岩效率最高。在施工现场破岩时，可考虑通过分析不同贯入度下的特征粒径，得到最优贯入度以取得增效节能的效果。参考文献References1 徐小荷,余 静.岩石破碎学M.北京:煤炭工业出版社,1984.XU Xiaohe,YU Jing.Rock FragmentationM.Beijing:China Coal Industry Publishing House,1984.2 陈文莉,福井胜则,大久保诚介.关于掘进机械破碎岩片的研究J.岩石力学与工程学报,2003,22(6):1037-1043.151基于特征粒径的盘形滚刀破岩最优贯入度分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版Vol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023CHEN Wenli,FUKUI K,OKUBO S.Study on the Detritus from Different Excavation Machines and MethodsJ.Chinese Journal ofRock Mechanics and Engineering,2003,22(6):1037-1043.3 闫长斌,姜晓迪,刘章恒,等.基于岩碴粒径分布规律的TBM破岩效率分析J.岩土工程学报,2019,41(3):466-474.YAN Changbin,JIANG Xiaodi,LIU Zhangheng,et al.Rock-breaking Efficiency of TBM Based on Particle-size Distribution ofRock DetritusJ.Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2019,41(3):466-474.4 李 志,刘志强,胡敬东,等.镶齿滚刀的破岩机理及分形研究J.煤矿机械,2007,28(2):31-33.LI Zhi,LIU Zhiqiang,HU Jingdong,et al.Fragmentation Principle and Grading Research of Tungstem-carbide-tipped CutterJ.Coal Mine Machinery,2007,28(2):31-33.5 闫 铁,李 玮,毕雪亮,等.旋转钻井中岩石破碎能耗的分形分析J.岩石力学与工程学报,2008,27(增2):3649-3654.YAN Tie,LI Wei,BI Xueliang,et al.Fractal Analysis of Energy Consumption of Rock Fragmentation in Rotary DrillingJ.ChineseJournal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(S2):3649-3654.6 谭 昊,纪洪广,曾志远,等.基于硬脆性岩石特征粒径的锥齿滚刀最优钻压分析J.岩土工程学报,2020,42(4):782-789.TAN Hao,JI Hongguang,ZENG Zhiyuan,et al.Optimal Drilling Pressure of Cone-tipped Cutters Based on Characteristic Size ofHard and Brittle RocksJ.Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2020,42(4):782-789.7 宋克志,季立光,袁大军,等.盘形滚刀切割岩碴粒径分布规律研究J.岩石力学与工程学报,2008,27(增1):3016-3022.SONG Kezhi,JI Liguang,YUAN Dajun,et al.Research on Distribution Regularities of Grain Size of Rock Detritus from Discoid CuttersJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(S1):3016-3022.8 方诗圣,曾志远,孟益平,等.镶齿滚刀破碎岩渣粒径分布规律研究J.建井技术,2017,38(5):28-31.FANG Shisheng,ZENG Zhiyuan,MENG Yiping,et al.Study on Particle Size Distribution Law of Rock Cuttings by Inserted RollingCuttersJ.Mine Construction Technology,2017,38(5):28-31.9 王立川,付柏毅,章慧健,等.TBM滚刀切削花岗岩和灰岩的力学响应差异J/OL.现代隧道技术:1-92023-04-28.http:/ Lichuan,FU Boyi,ZHANG Huijian,et al.Study on the Mechanical Response Differences of TBM Disc Cutter Cutting Granite and Limestone StrataJ/OL.Modern Tunnelling Technology:1-92023-04-28.http:/ 耿 麒,张兴宇,贺 飞,等.TBM两级螺旋式刀盘出渣机制数值模拟研究J.现代隧道技术,2023,60(2):84-93+124.GENG Qi,ZHANG Xingyu,HE Fei,et al.A Numerical Simulation Study on the Mucking Mechanism of TBM Two-stage SpiralCutterheadJ.Modern 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vibration features is analyzed,a random forest model of multi-dimensional vibration features and tunnelling parameters is constructed,and the vibration features that can respondsensitively to changes in tunnelling parameters are screened through its feature importance evaluation function.Theresearch results indicate that on-site vibration monitoring duration should reach at least one rotation period of thecutterhead,during which the distribution of various vibration characteristics tends to be stable.Peak factor and frequency standard deviation are the features that can best respond to changes in thrust and rotation speed,and can beused as key features for studying the relationship between vibration signal and change in tunnelling parameters.Keywords:TBM;Cutter vibration response;Tunnelling test data;Signal processing;Vibration feature selectionAnalysis of the Optimal Penetration of Disc Cutter in Rock Breaking Based onCharacteristic Particle SizeZHAI Shufang1,2DU Hongkun1YUE Qichao1WU Fan3GONG Qiuming4(1.College of Civil Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001;2.Henan International Joint Laboratory ofModern Green Ecological Storage System,Zhengzhou 450001;3.Beijing Urban Construction Design&Development Group Co.,Limited,Beijing 100000;4.Key Laboratory of Urban Disaster Prevention and Mitigation of Ministry of Education,Beijing Universityof Technology,Beijing 100124)Abstract:Based on the mechanical rock breaking platform of Beijing University of Technology,the linear cuttingtest is performed with disc cutters on the composite rock mass composed of mudstone and green sandstone,to explore the relationship between the rock debris features and the penetration after rock breaking with disc cutters.During the test,six sets of different penetrations(1.0 mm,3.0 mm,5.0 mm,7.0 mm,9.0 mm and 11.0 mm)are set to collect the rock debris generated from rock breaking with the disc cutters at different penetrations.The Rosin-Rammler function is used to analyze the rock debris data,and the characteristic particle size theory is used to analyze theoptimal penetration during rock breaking with the disc cutters.Furthermore,a method based on the characteristicparticle size theory is proposed to determine the optimal penetration.Through comparative analysis,it was foundthat the optimal penetration obtained using the characteristic particle size theory is consistent with the optimal penetration obtained through specific energy,which verifies the effectiveness of the proposed method;and this method ismore direc