钻机旋冲钻孔过程中破岩效率的研究

针对岩石钻机旋冲钻孔过程中破岩效率低的问题,基于岩石力学理论和有限元理论,建立了球形钻齿与岩石的相互作用受力模型以及旋冲钻孔破岩的有限元模型。采用了非线性有限元分析软件LS-DYNA来模拟不同参数下的旋冲钻孔过程,得到了钻头破岩过程中钻齿吃入深度与时间以及破碎体积、破碎比功随转速和频率的变化曲线;分析了转速与频率对破岩效率的影响规律。研究结果表明:转速对钻齿吃入深度影响不大,岩石破碎主要发生在冲击力卸载之后,当转速在30 r/min^35 r/min,频率在20 Hz^30 Hz范围内,破岩效率相对较高,能够充分提高能量利用率;该结果可以为钻头的合理设计以及岩石钻具的钻孔工艺参数选择提供依据。

筒钻单齿切削岩石的力学特性研究

基于岩石力学理论建立了钻机筒钻单齿切削岩石过程的物理模型,通过对单齿的动力学分析得出影响单齿切削力的主要因素为切削深度和切削速度。应用离散元软件EDEM仿真分析切削深度和切削速度对单齿切削力的影响规律。结果表明:切削力具有明显的不规则波动特性,该波动特性是Evans密实核破碎理论最直接的反映;切削深度和切削速度越大,切削力不规则波动越明显。平均切削力随切削深度的增加而呈正比例增加,比例系数为29.64。随着切削速度的增加,平均切削力增加地越来越慢;当切削速度超过1.5m/s后,平均切削力基本保持稳定。研究结果对钻机切削参数的合理选择提供了参考依据,并为钻机的结构设计奠定了基础。

钻机钻孔过程环形流道内气力排屑特性的研究

针对旋冲钻孔过程存在孔底岩屑堵塞的问题,基于气固两相流理论,考虑岩屑颗粒碰撞对气力排屑特性的影响,建立了环形流道内岩屑碰撞接触受力模型及气力排屑环形流道模型,采用计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)模拟垂直环形流道内气力排屑过程,得到了气流速度、排屑气压与岩屑粒径对气力排屑特性的影响规律。结果显示:随着气流速度的增大,流场压力损失先减少后增加,存在最佳排屑气流速度18m/s,当低于该速度时,岩屑难以及时排出;排屑压力减小导致环形流道中心区域岩屑浓度上升,导致压降增加;岩屑粒径小于1mm容易集聚成带状流动,当岩屑粒径在(2~4)mm范围内时,利于岩屑的排出。为岩石钻具的钻孔及排屑工艺参数选择提供了依据。