硬岩地质下镶齿滚刀齿形对破岩性能影响研究

为了降低镶齿滚刀的破岩比能耗和刀齿接触面应力,提高镶齿滚刀在硬岩地质下的破岩效率和使用寿命,采用LS-DYNA建立显示动力学仿真模型,并通过实验验证模型的可靠性。仿真分析镶齿滚刀的破岩机理及不同齿形的破岩效率,确定较优的齿形。通过正交试验法,分析齿宽、齿高、齿顶半径和齿数对破岩效率以及接触面应力值的影响,确定齿形参数对破岩性能影响权重。研究结果表明:在118 MPa硬岩地质下,镐齿滚刀的破岩效率最高,齿顶半径为破岩效率的最主要影响因素,权重达到50%,齿数与齿顶高为接触面应力值的主要影响因素,权重分别占31%、36%。齿形最优参数组合是齿宽为11 mm、齿顶高为1 mm、齿顶半径为10 mm、齿数为36个。该研究对于镶齿滚刀的齿形选择及参数优化具有参考价值。

盾构机扁齿型和球齿型镶齿滚刀破岩性能对比研究

盾构机在复杂地质条件下施工时,易出现刀具磨损严重、刀具消耗量大和掘进效率低等一系列问题。为了明晰不同岩石特性下镶齿滚刀破岩性能变化规律,提高镶齿滚刀破岩效率和使用寿命,保证水利隧洞工程安全高效施工,基于非线性有限元动力学软件,开展了不同岩石特性下扁齿型和球齿型镶齿滚刀破岩仿真模拟。通过多组仿真模拟,探究了不同岩石特性下两种镶齿滚刀和贯入度的最优组合,并通过室内破岩试验对仿真结果进行了验证。研究结果表明:凝灰岩地质条件下扁齿型和球齿型镶齿滚刀破岩载荷差异性较小,但球齿型镶齿滚刀破岩效率更高;砂岩和花岗岩地质条件下,扁齿型镶齿滚刀贯入岩石能力更强,可进一步提升滚刀破岩效率。此外,在不同岩石特性下,两种镶齿滚刀破岩比能耗均随着贯入度的增大而呈现出先减小后增大的趋势,并在贯入度6 mm左右出现最小值。研究结果可为隧道工程的盾构机刀具选型提供参考。

反井钻机球形镶齿滚刀破岩数值分析

利用有限元软件，建立球形镶齿滚刀三维数值模型，分析了滚刀破岩原理、岩石应力和滚刀受力情况，研究了刀齿间距和刀齿排距对滚刀破岩效果的影响，得到了滚刀结构参数与岩石破碎特性的规律。数值模拟结果表明：①滚刀破岩力具有明显的阶跃特征，从而证实了岩石的跃进破碎特性。②刀齿间距较大时，破岩比能变化较小；破岩比能总体随刀齿间距的减小而减小。③破岩比能随刀齿排距的增加，先减小，后增大。在35-45mm范围内，球形镶齿滚刀排距存在1个最佳值。

镶齿滚刀破碎岩渣粒径分布规律研究

镶齿滚刀破岩产生的细小岩渣是引起钻井施工中粉尘问题的关键因素,细小岩渣所占比例也可以反映出反井钻机的破岩效率。介绍镶齿滚刀破碎岩渣形成机理,分析破碎岩渣的粒径分布特点。对镶齿滚刀破岩试验得到的岩渣进行粒径筛分,得出各次试验的粒径分布数据,并计算出各次破岩试验的破岩比能。通过对各组粒径分布数据的拟合分析,得出岩渣粒径分布规律;分析拟合曲线,得到岩渣分布特征粒径数据;对特征粒径和破岩比能进行分析,得出两者之间的数学关系。

镶齿滚刀及滚刀钻头嵌岩技术的研究

根据大口径嵌岩桩施工的需要,研制了镶齿滚刀及滚刀钻头,介绍了镶齿滚刀硬质合金齿的选择、布置,镶齿及密封技术,滚刀钻头的结构设计及钻进参数的确定。经生产性试验取得了良好的效果。

镶齿滚刀的破岩机理及分形研究

反井钻机在水电行业的施工应用中,遇到了岩石坚硬,施工进度较慢的问题,通过对镶齿滚刀破碎花岗岩粒的分形研究,找出镶齿滚刀破碎花岗岩的规律,为滚刀的设计开发提供理论指导。

基于特征粒径理论的镶齿滚刀最优钻压分析

为解决反井钻机钻压与地层快速匹配问题,首先基于岩石破碎能量理论和岩碴Rosin-Rammler分布机理,通过理论分析证明盖克相似说下特征粒径与钻压呈高斯函数关系,邦德裂纹说和黎金格新表面说下特征粒径均与钻压呈二次函数的倒数关系,由此得到通过岩碴分析镶齿滚刀最优钻压的特征粒径理论。而后通过六排镐形镶齿滚刀的直线破岩试验,验证了特征粒径理论,证明盖克相似说和邦德裂纹说下特征粒径理论在分析六排镐形镶齿滚刀时具有较好的适用性,通过以上两种方法得到的特征粒径最大时的钻压,即为最小比能法得到的最优钻压。为了提高邦德裂纹说下特征粒径理论的拟合精度,也能使用高斯函数进行拟合。最后,将特征粒径理论应用于白鹤滩溜渣井工程,验证其在反井施工现场的适用性。

排齿间距对镶齿滚刀破岩效果影响试验研究

镶齿滚刀的破岩效率是影响反井钻机钻进速度的关键因素,对反井钻机在坚硬岩石中的破岩过程进行了研究,介绍了镶齿滚刀的破岩机理,阐述了镶齿滚刀的试验设计及过程,最后对试验现象进行了分析。通过对破岩数据的整理和分析,得出了岩石表面的平整度对镶齿滚刀的单齿压入效果有显著影响,提出了针对此类岩石或同等硬度岩石破岩效率最高的多排镶齿滚刀的排齿间距值。

反井钻机ZX315镐型镶齿滚刀有效钻压分析

反井钻机在金属和非金属矿山坚硬岩石地层中钻进井筒时,在因反井钻杆和硐室空间问题限制钻机能力的情况下,经常需要采用略高于有效破岩钻压进行钻进,而通过全尺寸滚刀破岩实验或单齿压入实验可以判断有效钻压。选用ZX315镐型镶齿滚刀和单轴抗压强度141.6 MPa的花岗岩,进行直线往复式滚刀破岩实验对。在25~150 kN不同钻压时,通过观察破岩面、称重破碎岩碴、记录实验数据,分析得到钻压与破岩体积关系曲线拐点,进而获得有效钻压为100 kN,根据钻压与滚动力关系曲线得到滚刀的滚动摩擦因数为0.203,通过对岩石单轴抗压强度和有效钻压的拟合,得到单轴抗压强度与有效钻压的关系公式,可计算得到有效扭矩。通过对不同岩石的有效破岩钻压分析,得到有效破岩钻压与岩石单轴抗压强度的关系,并推算得出ZX315镐型镶齿滚刀的有效钻进钻压近似为岩石单轴抗压强度的75.48%。

新型镶齿滚刀材料

镶嵌硬质合金的钻井滚刀,其硬质合金齿和刀壳均受到岩石的磨损,特别在钻凿软岩和中硬岩层时,刀壳基体的磨损更加严重,使齿根露出,导致硬质合金齿脱落,滚刀过早报废。为提高刀壳基体的耐磨性,并且在镶齿时不产生微裂纹,国内外研究单位和工厂常采用强度高,韧性好的高强度合金钢作为刀壳材料。经锻造成形、表面渗碳淬火处理来提高耐磨性。但镶齿后齿的周围仍不会很硬,渗碳深度也不会很深,岩石很容易将渗碳层磨掉,这使得滚刀的寿命受到限制。我们经多次试验,最终选用30SiMnCrTi耐磨铸钢作为刀壳材料,其成份如下:

盾构镶齿滚刀破岩过程机理分析

本文采用Abaqus软件建立了镶齿滚刀的简化模型,并基于扩展Drucker-Prager本构模型,对镶齿滚刀破岩的过程进行了模拟。模拟结果表明,镶齿滚刀较之于盘形滚刀有着更好的破岩效果,同时还验证了贯入度与岩石的破碎程度有着紧密关系。

勘探所镶齿滚刀技术获得突破性进展

由国土资源部勘探技术研究所大口径钻头与钻具研制中心研制的8系列镶齿滚刀及12系列镶齿滚刀经过对切削齿、轴承、密封机构及加工工艺的改进，目前在技术上有了突破性进展，最近研制的直径为XG1100、XG2500、XG2800镶齿滚刀钻头先后成功地用于温州世贸大厦及深圳金中环商务大厦桩基础施工，在罕见的恶劣施工条件下，取得了非常满意的使用效果，得到了施工单位——江西地质工程总公司及华东、华南地区同行的一致好评。

不同岩石下镶齿与光面滚刀切削性能对比研究

为研究镶齿滚刀与光面滚刀破碎不同类型岩石的切削性能,基于非线性动力学有限元软件,建立镶齿滚刀与光面滚刀直线切割岩石的动力学仿真模型,对3种常见TBM工程硬岩进行破岩仿真,探究不同岩石特性下滚刀类型与贯入度的最优组合。利用盘形滚刀线性切割试验台,开展光面滚刀破碎花岗岩试验,对仿真结果进行验证。研究结果表明:在凝灰岩、花岗岩和片麻岩地层下,镶齿滚刀与光面滚刀的比能耗都在贯入度为6 mm左右出现转折,有最低比能耗,在这3种地层下小于6 mm贯入度掘进时采用光面滚刀的效果更好;滚刀在不同地层下的破岩垂直力都可以用同一种函数进行拟合,对于同种滚刀,岩石强度越大,滚刀破岩垂直力随贯入度增长的速率越大,在同一种岩石强度下,镶齿滚刀破岩垂直力增长速率大于光面滚刀。

镶齿滚刀破岩机理及效率的旋转破岩试验

随着隧道工程建设的不断增多,镶齿滚刀已被广泛应用于多种开挖机械,如隧道掘进机、反井钻机、采掘机等,不同破岩参数下镶齿滚刀的破岩机理及破岩效率研究,对提高机械掘进效率、降低施工成本有重要意义。应用北京工业大学自主研制的多功能机械破岩试验平台,选用直径304.8 mm(12英寸)的镶齿滚刀对尺寸为1 000 mm×1 000 mm×600 mm的北山花岗岩进行旋转切割破岩试验研究。通过对排齿及整刀进行不同贯入度的旋转切割试验,并应用荧光裂纹检测法对侵入坑下方裂纹进行检测,研究镶齿滚刀的破岩规律。结果表明:①镶齿滚刀为"递进式"破岩,破岩开始于相邻小齿间距的球齿之间,而后发展到相邻的大排间距的球齿之间;②第3排球齿破岩效率最高,且整刀在贯入度为1.5 mm时破岩效率最高;③应用荧光裂纹检测法分析滚刀下方岩体裂纹分布特征,发现每排球齿下的裂纹扩展方向及范围存在较大差异。裂纹分布特征分析结果与通过滚刀力、岩片分析得出的镶齿滚刀破岩效率的结论相一致。该研究可为机械开挖设备滚刀布置、刀型优化及施工运行参数优化提供试验参考和理论依据。

从反井钻机多刃镶齿盘形滚刀的发展谈标准的修订

介绍了反井钻机多刃镶齿盘形滚刀的技术发展概况,通过对滚刀主要破坏形式的分析、滚刀适用范围变化、以及技术的发展,阐述标准修订的相关内容。

广州“红层”地质盾构机滚刀磨损与掘进参数特性分析

以广佛地铁12标工程为依托,根据盾构机刀盘的设计参数,给出了不同位置滚刀的允许磨损量。结合现场实测数据,给出了边滚刀磨损的主要原因,并提出了改造方案。结合现场掘进数据,分析了岩层掘进贯入度与刀盘转速的选用原则。研究结果表明:压柱式镶齿滚刀能较好地适用于红层掘进,增加有效掘进1倍以上;红层掘进应选用高贯入度,慢转速的掘进参数,以获得最佳的掘进效率。

滚刀破岩试验装置的研制及应用

反井钻机在钻进过程中存在滚刀破岩效率低等问题,且刀具与岩石相互作用关系尚不明确。为探讨滚压破岩机理和效果的影响因素,自主研制了滚刀破岩模拟试验装置,能够进行不同滚刀类型和滚压参数的线性截割试验。选用单排镶齿滚刀进行了岩石破碎试验,获得正压力与滚动力关系曲线。结果表明:该试验装置可以实现滚刀在直线方向往复运动下的破岩过程模拟,具有较好的实用性和可靠性,为进一步揭示滚刀破岩机理和研究反井钻井工艺、技术、装备提供有效的测试手段。

反井钻井硬岩滚刀研制与开发

针对目前反井施工钻进硬岩出现的破岩效率低、滚刀寿命短、成本高等问题,研制了适用于硬岩钻进的新型镐形镶齿滚刀,并通过镐形刀齿与锥形刀齿的对比试验及工程应用,分析了破岩效果,验证了该齿形破碎硬岩的合理性,对于反井钻井法的推广应用起到积极的作用。

勘探技术研究所钻头中心简介

钻头中心主要从事各种钻具、钻头的研究、开发和营销，自成立以来，依托雄厚的科技实力，先后研制成功了几十种大口径钻具与钻头，研制的PZ系列组合牙轮钻头和大口径无循环钻具分别荣获国土资源部科技成果二等奖，几年来产品直接创产值2亿多元；研制的8系列、12系列镶齿滚刀畅销香港及东南亚、南亚地区，并成功地应用于直径3000mm、孔深50m、岩石硬度100MPa的超深、超大口径、极硬地层钻孔中，在技术上实现了历史性的突破；

泥水平衡盾构下穿海域施工技术应用

以深圳地铁12号线左炮台站~太子湾站区间下穿码头海域工程为例,阐述了泥水平衡盾构机成功下穿码头海域、断层破碎带及上软下硬地层的施工技术,主要包括风险辨识、盾构机选型、施工过程技术方案及风险预控措施等,通过对技术应用成果总结分析进一步说明了本技术具有科学性、安全性和高效性。因此,泥水平衡盾构下穿海域施工技术可供类似工程借鉴与参考。