Energy transmission of down hole hammer tool and its conditionality

By analyzing the efficiency of transmission of impact energy in down hole hammers and its affecting factors, it has been revealed that the percussive action of down hole hammers can greatly increase the rate of penetration in shallow well drilling, but its efficiency will be deeply decreased in very deep well drilling. Further analysis showed that there exists a reasonable mass matching of the piston to the bit for different formations. Meanwhile, in an effort to effectively transmit the impact energy from rotary percussive drilling, it is suggested that the roller conical bits widely used in petroleum industry and the recently developed flat fixed PDC bits should be changed into parabolic fixed diamond enhanced bits.

径向不耦合装药孔壁冲击压力特性

径向不耦合装药结构广泛应用于实际爆破工程中,为探究径向不耦合装药孔壁冲击压力的变化规律,基于冲击波理论,利用激波管模型对径向不耦合装药条件下孔内波系作用过程进行简化分析。研究了孔内爆炸冲击波在各介质面的冲击压力,获得了径向不耦合装药条件下孔壁初始冲击压力的计算表达式,模拟了径向不耦合装药时冲击波的作用过程。研究结果表明:径向空气层的存在极大削减了爆炸冲击波压力,孔壁峰值压力在不耦合系数1~2时发生指数型衰减,在不耦合系数大于2时,其衰减速度较缓慢。冲击波作用在孔壁处时存在多个波峰,且初始峰值压力最大,后续峰值压力随时间的延长逐渐减小;随着不耦合系数的增大,初始峰值压力逐渐减小且到达峰值压力的出现时间也逐渐延后;不耦合系数越大,多波峰特性越明显,不耦合系数较小时峰值压力较大,会对围岩产生较大的破坏。为减小对围岩的破坏且满足相应的爆破要求,应充分利用不耦合系数较大时的多波峰特性,根据岩石性质选择合理的径向装药系数。

基于落石模型试验的棚洞垫层力学响应及优化设计

结合边坡落石灾害现状,基于落石模型试验,系统分析落石质量、下落高度、垫层厚度、加筋位置、加筋材料等因素对落石冲击力及其动态演化的影响,揭示落石冲击棚洞的动力响应规律,结合垫层自重与落石冲击作用双因素影响确定垫层最优厚度,并对垫层设计提出优化建议。结果表明:随着垫层厚度增加,棚洞所受落石冲击力呈非线性减小,减小幅度先大后小而后趋于稳定;在同一垫层厚度下,棚洞所受落石冲击力随落石高度和落石质量近似呈线性增大;当复合垫层设计为“5 cm河砂+聚苯乙烯泡沫(EPS)+10 cm河砂”时,落石中心处土压力峰值相较于纯河砂垫层降低约60%,缓冲耗能效果最佳;通过多元回归分析得到了落石冲击力计算公式,且计算结果与实验数据吻合良好。

深孔轴向多段间隔装药孔壁冲击压力分布

为确定地下垂直长深孔爆破时合理的空气间隔长度,基于爆轰波理论,分析了多段间隔装药爆破条件下孔壁冲击压力随间隔长度变化的内在分布规律函数;依据Mises准则,得出了不同岩性时合理的间隔长度参考值,并通过数值模拟和现场爆破试验进行了验证。结果表明,空气间隔段孔壁冲击压力沿炮孔轴线从两端向中间骤降,但在中点周围略微增大,压力曲线呈两端大、中间小、中点周围略微凸起的“W”形对称分布。

煤矿防冲钻孔机器人全自主钻进系统关键技术

针对高地应力矿井钻孔卸压作业智能化程度低的技术难题,总结分析了国内外钻孔卸压技术和装备的研究现状,指出研发高性能、高可靠、高效率的防冲钻孔机器人全自主钻进系统是破解冲击地压防治难题的重要发展方向。为此,凝练了影响钻进系统性能的“孔位精准识别、钻具姿态精确感知、无线电磁随钻智能检测、钻具运行状态智能识别和钻进系统精确控制”五大关键技术,并给出了解决思路和方法。针对在复杂恶劣环境下卸压孔的精确识别问题,设计了融合图像尺寸调节和多阶段训练模式的卸压孔图像样本扩充SinGAN模型,引入多层特征融合优化的FasterRCNN,构建了基于改进SqueezeNet轻量级网络架构的孔位识别模型,以实现卸压孔位的准确快速识别;针对钻具姿态精确感知问题,提出了基于改进梯度下降法算法优化无迹卡尔曼滤波的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)初始对准方法,设计了多个IMU的空间阵列布局方式,研究了基于BP神经网络的钻具姿态误差补偿方法,旨在提高钻具姿态的解算精度,实现精准钻孔卸压;针对复杂地质环境下钻进工况的精确检测问题,搭建了煤矿井下随钻测量无线电磁传输系统架构,探讨了微弱电磁波信号自适应调制和随钻高速双向电磁传输技术原理,研究了孔底地质参数、几何参数和工程参数的测量原理和实现过程;针对钻进系统运行状态识别问题,构建了钻进信号时域、频域、时频域的多域特征和深度网络高级特征提取架构,提出了钻进系统关键零部件健康状态评估和故障诊断技术,构建了基于改进蝙蝠优化长短期记忆网络的卡钻风险因子预测模型,实现对卸压钻具卡钻状态的准确预测;针对钻进系统的精确控制问题,分析了钻进系统的液压系统工作原理,构建了考虑煤岩性状的钻进系统精确控制方案,探讨了基于转矩和位置的钻进系统最优控制参数求解原理,旨在实现钻进回转系统和给进系统的智能协同控制和并行作业。

入水速度对冰孔约束下圆柱体倾斜入水过程的影响分析

针对极地环境下超空泡圆柱体入水问题,基于雷诺平均方程引入流体体积模型,结合重叠网格技术建立了冰孔约束下圆柱体入水数值仿真方法。在此基础上,开展不同入水速度下圆柱体穿越冰孔入水过程仿真,分析了圆柱体入水过程中的空泡演化与载荷特性。研究结果表明:冰孔约束限制了孔内水域的流动,进而改变了表面喷溅的状态及空泡壁的形态,以至延迟了空泡表面闭合时间。随着入水速度的增大,冰孔约束对空泡形态的限制作用基本一致,圆柱体头部出现了更大范围的高压区域,且呈现出非对称分布;冰孔约束增大了圆柱体入水冲击载荷,使得圆柱体水下速度加快衰减,并促使圆柱体偏转角度大于无冰工况。研究结果可为极地超空泡武器入水稳定性提供参考。

高温循环作用含孔砂岩动态力学特性试验研究

为研究高温循环作用含孔砂岩动态力学特性,利用SHPB试验装置对常温和经历200~800℃高温循环作用后含孔和完整砂岩试件开展冲击压缩试验。研究表明:随循环作用温度升高,砂岩试件由灰色逐渐变成褐色;质量损失率、体积膨胀率和密度降低率等物理参数均呈增大趋势,超过400℃时变化幅值显著增加;常温砂岩含有少量微孔隙,随循环作用温度升高试件表面微孔隙数量增多、宽度增大。高温循环作用后含孔试件动抗压强度呈二次函数关系减小趋势;动应变和动弹性模量则分别呈幂函数增大和线性函数关系减小趋势。随循环作用温度升高,试件破碎程度加剧,破碎块度减小,分形维数呈幂函数关系增大趋势;循环作用温度超过400℃时,试件动抗压强度、动应变、平均粒径和分形维数变化幅值均显著增大。研究成果对深部矿山资源开采和地热利用具有一定参考价值。

基于SPH-FEM耦合算法及模型试验的减振棚洞研究

为探究更为安全、有效的边坡落石防护结构,本研究基于光滑粒子流体动力学—有限元(SPH-FEM)耦合动力学数值计算及1∶10几何相似室内模型试验,针对“砂土-发泡橡胶”复合垫层棚洞的减振机制展开研究。结果表明:落石以20 m/s速度冲击时,顶板腹部正中单元峰值应力可达2.89 MPa,超过C30砼极限抗拉强度2.01 MPa;添加0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m发泡橡胶垫层后,正中单元峰值应力依次为2.36、1.12、0.79、0.65、0.58 MPa,相较于纯砂土垫层,降幅依次可达18.34%、61.25%、72.66%、77.51%、79.93%;针对试验期间棚洞顶板腹部纵向测点P1,添加2、4、6 cm厚橡胶垫层,其峰值应变由50.57με依次降至27.17、15.22、10.36με,降幅为46.27%、69.90%、79.51%;针对顶板腹部横向测试位置T1,复合垫层工况下应变峰值由48.47με降至26.54、17.29、13.59με;复合垫层可大幅降低落石冲击能量与顶板应力水平,模型试验与数值计算结果基本相吻合,本文工况下发泡橡胶现场设置厚度以0.4~0.6 m为宜。研究成果可为相关防护工程设计提供借鉴与参考。

含不同孔洞类岩石材料的动力响应机制研究

为揭示动载作用下深埋巷道的横截面形状效应,制备了含5种不同孔洞形状(矩形(R)、圆形(C)、直墙拱形(S)、纵、横椭圆形(E_(∥)、E_(⊥)))的水泥砂浆类岩石材料试样,利用落锤冲击试验系统地开展了试样动力响应特征研究。从应变时程曲线、洞周裂纹扩展过程、破坏模式3方面讨论了孔洞形状的影响,并结合PFC2D对试样的动态抗压强度、细观开裂机制进行了分析。结果表明:相同的冲击荷载作用下,纵椭圆试样的极限应变最大。孔洞顶板宏观裂纹的起裂位置位于中部;矩形和直墙拱形孔洞试样底板处裂纹更易从角点位置向下扩展,而其他孔洞形状的试样则从底板中部向下扩展贯通。矩形、直墙拱形和横椭圆形孔洞试样的顶板以张剪复合破坏为主,而圆形和纵椭圆形试样顶板的张拉破坏更显著。纵椭圆、直墙拱、圆形、矩形、横椭圆试样的动态抗压强度依次降低,故纵椭圆形试样的抗冲击效果最好。冲击荷载作用初期,拉应力主要集中于孔洞顶板处,集中区域大小与孔洞上边界的横向跨度正相关;试样临近峰值应力时,拉应力由顶板向两侧扩散至整个试样。峰后纵椭圆和圆形孔洞试样的回弹模量与弹性模量基本一致,塑性变形较小,而其他孔洞试样具有较高的残余应变。

铁路桥梁施工中冲击钻灌注桩孔壁稳定性分析

探究铁路桥梁施工中冲击钻灌注桩孔壁稳定性对保证桩基的承载性能和桥梁整体的稳定性至关重要。本文依托普里河特大桥工程项目,采用数值模拟方法探究了泥浆重度、钻孔直径及钻孔深度对冲击钻灌注桩孔壁横向位移及桩孔周围地表沉降量的影响。结果表明,增大泥浆重度及钻孔直径对最大孔壁横向位移及地表沉降均有显著影响,泥浆重度越大,孔壁横向位移及地表沉降最大值均越小,孔壁越稳定,增大钻孔直径,孔壁横向位移及地表沉降最大值均增大;改变钻孔深度对孔壁稳定性无明显影响。

高能液动锤超硬岩快速钻进成套装备与技术

当煤矿井下瓦斯抽放孔钻孔施工中遇到f≥12的岩层时,采用PDC钻头的回转切削效率极低。为解决煤矿井下硬岩钻进的技术难题,提出了煤矿井下高能液动锤的成套配置方案。采用该技术方案开展了井下钻孔试验。试验结果表明,在石英砂岩(10≤f≤12)中,机械钻速18.63~32.84 m/h;在硅质泥岩(12≤f≤17)中,平均机械钻速21.91 m/h。为煤矿井下硬岩钻进提供了一种新技术,可提高煤矿硬岩钻进效率。

城区跨江斜拉桥临水钢围堰高效施工技术研究

文章结合清江市政特大桥EPC工程总承包项目2#主塔锁扣钢管桩围堰快速施工的实际情况及施工特点,介绍了城区跨江斜拉桥临水钢围堰高效施工技术。为保证钢围堰质量,确保施工安全,缩短施工周期,降低施工成本,最终确定采用冲击钻结合旋挖钻引孔施工技术,该技术可供类似工程借鉴。

120 t转炉顶底复吹过程多相流数值模拟研究

以120 t五孔氧枪顶底复吹转炉为原型,基于Fluent数值模拟,对多组不同氧枪枪位与底吹气体流量方案进行建模计算,分析了五孔喷头顶吹超音速射流行为,以及不同方案下熔池冲击面积及冲击深度的变化规律。模拟结果与前人实测结果吻合,证明了模拟的准确性。模拟结果表明,由于顶底复吹作用,速度集中在钢液面附近,顶吹和底吹气流周围的区域钢液流速变慢;随着氧枪高度不断升高,冲击深度逐渐减小,冲击面积先增大后减小;当氧枪高度1.8 m时熔池冲击面积最大,单孔底吹流量为60 m^(3)/h,底吹效果最好。

高速冲击下薄壁组合结构吸能特性研究

研究了高速冲击下组合薄壁结构的吸能特性。采用显式动力有限元方法模拟薄壁结构在轴向冲击下的动态屈曲并分析其吸能特性,通过在结构上增加诱导缺陷和提出新型组合截面来提高其抗冲击吸能性能。同时对多种模型对比分析,研究了不同诱导缺陷、截面形式对吸能特性的影响,以得到最优化的结构。

铝球弹丸超高速正撞击薄铝板穿孔尺寸研究

利用2017-T4铝球弹丸高速正撞击不同厚度的2A12铝合金板,模拟空间碎片对航天器防护屏的高速撞击作用,分析铝合金板撞击穿孔尺寸特征。铝球弹丸直径为3.18mm^6.35mm,弹丸直径与铝板厚度之比dp/t为1.00~9.96,撞击速度为1.50km/s^6.98km/s,得到了铝球弹丸高速正撞击铝板的穿孔经验公式。实验结果表明:薄铝板高速撞击穿孔直径扩张率与弹丸直径、铝合金板厚度及撞击速度有关。当弹丸直径与铝合金板厚度之比dp/t一定时,薄铝板撞击穿孔直径扩张率随着撞击速度的增大而增大;当撞击速度一定时,薄铝板撞击穿孔直径扩张率与dp/t呈非线性关系,且随着dp/t的增加,对薄铝板撞击穿孔直径扩张率的影响减弱。

铝球弹丸高速正撞击薄铝板穿孔研究

低地球轨道上的航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击,导致其严重的损伤甚至灾难性的失效。撞击损伤特性研究是航天器防护设计的一个重要问题。通过铝球弹丸超高速正撞击薄铝板的实验研究和数值模拟,证明了AUTODYN-2D软件数值模拟预测薄铝板超高速撞击穿孔直径的有效性。通过对弹丸直径、弹丸撞击速度和薄铝板厚度影响薄铝板超高速撞击穿孔直径的数值模拟,以及利用实验结果和数值模拟结果拟合的曲线,得到了铝球弹丸超高速撞击薄铝板的穿孔规律以及影响薄铝板超高速撞击穿孔直径的主要因素。

深部盘区巷道群集中静载荷型冲击地压机理与防治

针对深部矿井,盘(采)区巷道群屡次发生冲击地压这一问题,以我国新建千米深井盘区巷道群冲击地压发生为背景,理论分析了巷道群无动载诱发冲击启动的机理与防治方法。结果表明,巷道底煤的厚度对底板水平应力集中影响较大;褶曲构造带也显著影响巷道群应力环境;巷道底臌量与底板释放动载荷量值、底煤厚度均成正相关关系;深部煤层巷道群冲击启动原理,是巷道群自身应力叠加在巷间煤柱,提供了基础静载荷;灾害发生地段底煤厚度以及褶曲构造影响,提供了时机静载荷,2者叠加导致巷间煤柱垂直载荷超过了临界值,同时底板煤体承受的载荷超过了其极限承载力;深部煤层巷道群冲击地压属集中静载荷型,采用基于集中静载荷疏导的深孔区间爆破法可防治冲击地压灾害。

阻尼孔对多路阀主阀开启压力冲击影响研究

以负载敏感比例多路阀为研究对象,研究阻尼孔对主阀开启时压力冲击的影响。利用基于功率键合图理论的比例多路阀动态仿真程序进行分析,并通过负载敏感比例多路阀实验平台进行实验研究。实验和仿真结果表明,阻尼孔可以通过延长阀口开启时间,从而减小主阀口开启时阀口的压力超调,提高系统稳定性。该研究为多路阀设计和研究提供了设计参考。

地铁车站洞桩法施工对地层及邻近桩基的影响规律

以北京地铁国贸站工程为背景，分析大跨度分离式地铁车站采用洞桩法施工，对周围地层及邻近桩基的影响．采用现场实测方法分析洞桩法施工地层沉降的规律，认为纵向沉降明显分为前期沉降区、急剧沉降区和沉降收敛区，而急剧沉降区又分为导洞、扣拱及下部开挖3个阶段；横向沉降符合Peek曲线，影响范围为3～4倍洞径．采用三维数值分析方法模拟施工过程，选取典型的邻近桩基所在断面，研究车站施工对邻近桩基变形以及地表沉降的影响，对国贸站邻近桩基变形现场量测数据进行对比分析，认为邻近桩基沉降变形与其施工过程相对应，也分为导洞、扣拱及下部土体开挖3个阶段．影响沉降盼主要因素是其空间位置，特别是桩基与车站结构的最小距离，其次桩端所处的地层条件也有一定的影响；施工对邻近桩基水平方向的扰动影响非常显著，扣拱施工对邻近桩基的侧向变形影响最大．在此基础上总结了车站上侧桩、中侧桩、下侧桩等邻近桩基的变形规律．

岩溶地区“人工+冲击钻”式深桩成孔施工技术

随着越来越的工程项目在云贵地区开展,如何在岩溶较发育地区进行深桩的施工是关键技术之一。以贵州省遵义至绥阳高速公路延伸线工程第二分部桩基施工为例,芙蓉江特大桥跨越芙蓉江,主墩最长桩基为65m,距离江边15m左右。针对人工挖孔和机械冲孔的不同施工特点,桩基成孔采用"人工+冲击钻"的方式,即通过人工挖孔方式穿越岩溶发育区,然后改用机械冲孔继续施工。施工过程及后期监测表明,人工挖孔与机械冲孔相结合的成孔施工方案在岩溶地区应用效果较好,该工程的施工方案以及施工质量满足设计要求。