围压条件下粒子冲击破岩裂隙扩展机理研究

为揭示粒子冲击下围压对岩石裂隙形成及扩展机制的影响,开展了粒子冲击破岩试验和微纳米工业CT(compnted tomography)扫描试验,明确了围压对粒子冲击作用下岩石裂隙扩展特征的影响;并对不同围压条件下的粒子冲击进行数值模拟,分析了岩石的应力场和裂隙场演化过程,揭示了围压影响裂隙扩展的内在机制。结果表明,粒子冲击岩石后,在岩石内部形成破碎区和晶间主裂隙扩展区。压应力导致形成的剪切应力和拉应力是破碎区形成的主要原因,而晶间主裂隙扩展区形成的主要原因是切向衍生拉应力。围压使岩石颗粒间产生预应力,导致切向衍生拉应力需克服颗粒之间的初始压应力才能形成张拉裂隙;围压的增大导致岩石颗粒间剪切裂隙比例和摩擦效应提升,产生相同裂隙数目消耗能量增大,抑制了晶间主裂隙扩展区和破碎区的形成,破碎效果降低。

岩弹冲击破岩规律试验研究

针对深部岩层掘进过程中钻具磨损快、掘进效率低等问题,基于粒子冲击破岩技术,提出采用高压气体驱动加速岩弹冲击预裂掘进面岩体,减少钻具磨损。通过SHPB试验和三维扫描试验,测试岩石破坏吸收能和新增表面积,构建岩石冲击破坏吸收能理论模型;采用自主研制的岩弹冲击破岩试验装置研究了气体压力、岩弹质量及岩性对破岩效果的影响。形成了以下结论:基于实测岩石破坏吸收能和新增表面积,得出试验花岗岩岩样比表面自由能γs为6.34 mJ/mm^(2);增大气体压力能够有效提高岩弹冲击动能,使花岗岩吸收能和新增表面积增大,同时岩弹破碎和弹射耗散能随之提高,岩弹冲击动能转化为花岗岩破坏吸收能效率降低;吸收能与岩弹质量和动能乘积成幂次方关系,保持气压不变,增大岩弹质量可在一定范围内提高岩弹冲击动能和花岗岩破坏吸收能,提升破坏效果。但过多提高岩弹质量,导致其动能降低,从而使吸收能转化效率降低。不同岩性的岩石比表面自由能不同,但气体压力、岩弹质量对不同岩性岩石冲击破坏效果的影响基本一致。研究结论为硬岩辅助掘进提供理论和技术支撑。

基于FDEM的围压条件下机械冲击破岩机理研究

矿产资源的开采越来越趋向深部发展,而深部围岩往往处于高应力状态下。岩石作为一种主要由矿物颗粒构成的非均质材料,其矿物颗粒间的细观力学性质会对机械冲击破岩行为造成极大的影响,因此有必要考虑围压和岩石细观力学性质对机械冲击破岩行为的影响。首先,采用有限元-离散元(FDEM)方法,在ABAQUS有限元模型全域内嵌入零厚度黏聚力单元,模拟深部高应力条件下的机械冲击破岩过程;然后,通过室内单轴压缩和巴西劈裂试验进行算法验证和参数标定;最后,建立相应的冲击破岩FDEM模型,并定量分析围压和细观力学参数(断裂能、细观强度、接触刚度比)对冲击破岩行为的影响规律。研究结果表明:在高围压下,岩石会出现岩爆现象,破岩效果明显提高;岩石的断裂能和细观强度增加均会导致破岩效果降低,其中断裂能越大,岩石产生岩爆现象的难度越高;降低细观强度会减小发生岩爆的围压;接触刚度比越大,冲击破岩过程越容易发生岩爆现象。

双粒子联合冲击破岩仿真研究

单粒子冲击破岩与粒子冲击钻井的真实工况有一定的差异,因此,需要研究多粒子联合冲击破岩的规律。在双粒子联合冲击破岩条件下,利用LS-DYNA的参数化设计语言,采用无量纲化分析方法,选择粒子间距、直径、初速度和入射角度为设计变量,建立了它们与岩石破碎体积和侵入深度之间的关系,并绘制了它们之间的变化关系曲线图。进一步分析这些曲线图的变化规律后发现:间距为0.25个左右的基准直径、粒子直径取0.8~1个基准直径、冲击初速度取每秒32 000~40 000个基准直径、入射角度为0°~40°,粒子冲击破碎岩石效果达到最佳或接近最佳。这些结果可以作为深入研究多粒子联合冲击破岩的参考依据。

冲击破岩时破碎区扩展规律数值模拟

针对动载定侵深破岩条件建立计算模型，应用动力有限元法，对楔形钎刃冲击破岩时破碎区扩展过程进行了研究．模拟结果表明：破碎区是随冲击载荷的增大自刃尖下方沿刃面方向向自由面扩展而形成的，且破碎角２θ≈１１６°．这结果与实验结果基本吻合，证明用数值模拟方法研究冲击破岩问题是可行的．

钻孔冲击破岩掘进过程的数值模拟与工艺探讨

为解决现有硬岩掘进方法进尺效率低的问题,提出了使用液压冲击设备进行超硬全岩巷道快速掘进的新工艺和新方法。通过APDL编程,利用＂生死单元＂对超硬岩体的钻孔冲击破碎过程进行了模拟和分析,并在锦州凌海白台子乡花岗岩采石场进行了现场工艺试验。结果表明,钎杆冲击位置与钻孔的距离应控制在0.15~0.2 m,钻孔半径以0.035 m为宜。钻孔冲击破岩的效率约为无钻孔冲击破岩效率的4倍,钻孔冲击破岩可以实现硬岩掘进,但工艺还有待进一步优化。

粒子射流冲击破岩喷嘴的参数优化与试验研究

在粒子射流冲击破岩过程中,喷嘴作为粒子和水射流的核心加速装置,其加速能力决定了破岩效果的好坏。针对锥直型、等变速型和流线型喷嘴,建立了粒子和水射流在喷嘴中的加速模型、压降模型以及能量转换效率数学模型,通过数值模拟分析了不同喷嘴对粒子水射流加速能力的影响,对喷嘴的流道类型及尺寸进行了优化,依据优化结果对研制的喷嘴进行了破岩试验和流场仿真。分析结果表明:收缩段长度为15 mm的等变速型喷嘴具有较高的加速能力和能量转换效率;研制的喷嘴可应用于粒子冲击钻井破岩工艺。所得结论可为粒子射流冲击破岩装置的现场应用提供参考。

冲击破岩式岩巷快速掘进作业线的研究和应用

目前国内岩巷掘进主要采用钻爆法和综掘法,但是这2种掘进工艺都存在着进尺水平低、机械化程度低、成本高、投入高、工效低、粉尘大等诸多问题。尤其是当岩石硬度较硬时,掘进效率更差。针对这些问题,提出了冲击破岩式岩巷快速掘进作业线,利用冲击破岩式掘进机、多功能全方位液压锚杆钻车、全断面湿式喷浆装备实现高效率、低成本、低粉尘的岩巷快速掘进。

盾构刀具冲击破岩传递过程研究

为研究滚刀冲击破岩的传递过程,以盾构机冲击破岩试验台滚刀为研究对象,通过静力加载分析得到滚刀刀轴刚度与刀圈变形量.在振动理论建模的基础上,通过ADAMS对滚刀进行动力学仿真,并对仿真振动信号进行相关性分析.最后在盾构机滚刀冲击破岩试验台上验证了研究结果.研究表明:滚刀冲击振动经过刀体以后衰减与畸变极小,对滚刀施加的冲击振动有97!能够传递给岩石.随着冲击动载荷的增大,滚刀受到的总载荷增大,滚刀侵入深度增大.同时大理岩的破碎块增大,破碎重量增加.

粒子射流冲击破岩效果影响因素试验研究

为了更准确地分析粒子射流冲击破岩规律,从而有效指导粒子冲击钻井工艺参数的优选,通过粒子射流冲击破岩正交试验,确定了粒子射流各因素影响破岩效果的重要程度,然后根据单因素粒子射流冲击破岩试验,分析了粒子体积分数、粒子直径、喷射角度等主要因素对破岩效果的影响规律,并优选了粒子冲击参数。试验得出,粒子射流各因素对破岩效果的影响程度由大到小依次为喷射时间、粒子体积分数、粒子直径、喷射角度和喷距,最优粒子体积分数为2.0%,最优粒子直径为1.5mm,最优喷射角度为15°。研究结果表明,岩石破碎孔眼深度与粒子体积分数和粒子直径均成二次函数关系,与喷射角度成四次函数关系;孔眼体积与粒子体积分数、粒子直径和喷射角度均成三次函数关系。该研究结果可为粒子冲击钻井技术的推广应用提供理论支撑。

新型冲击破岩掘进机工作机构疲劳寿命分析

为探究新型冲击破岩掘进机工作机构的结构性能,根据建立的虚拟样机仿真模型选取2种典型工况进行分析;利用建立的冲击锤力学模型求得凿入力;利用ANSYS对该工作机构的2种典型工况进行疲劳寿命分析。研究表明,工作机构疲劳寿命较低的部位主要集中在各构件的铰接处;最低寿命出现在液压冲击锤与转锤液压缸的铰接处为4.937×10~7;不同步(偏载)的疲劳寿命明显低于同步(正载);工况1(正常作业姿态)的疲劳寿命明显高于工况2(极限作业姿态);新型冲击破岩掘进机工作机构满足疲劳寿命要求。

临空面对破碎锤冲击破岩效果的影响研究

为深入研究液压破碎锤冲击机理,利用自行设计的冲击试验装置展开试验,结合有限元-离散元耦合方法分析其在临空面辅助作用的破坏特性。试验结果表明:在临空面辅助作用下,岩石破坏强度得到劣化,冲击峰值力随临空面距离的增加呈先增加后稳定趋势,且在保持临空面距离不变情况下与冲击能量不相关;破岩比能耗随临空面距离的增加呈先下降后上升趋势;为达到最优破岩比能耗,临空面距离应选取能使岩石经一次冲击即可完成劈裂破坏时的最大值。研究结果为高效破岩提供了理论依据。

PDC钻头复合冲击破岩机理研究及应用探讨

随着钻井提速,PDC钻头结合扭力冲击器的复合钻井技术应用越来越普遍。为了进一步提高PDC钻头复合钻井技术在现场的应用效果,系统分析了钻头的结构及工作原理,对PDC钻头具有的硬度高、耐磨性好、强度高、自锐性好、稳定性差、抗冲击性差的特性进行了分析。通过对复合冲击破岩机理研究表明,在复合钻井条件下,PDC钻头切削齿与地层岩石呈严重不均匀接触状态,承压面积减小,切削齿对地层岩石的吃入深度增加,加之切削轨迹呈交叉状态,显著提升了钻头破岩效率。通过在钻井现场的应用及与牙轮钻头钻井情况对比,结果表明,PDC钻头复合钻井技术能够显著提高机械钻速、缩短钻井周期,具有较好的经济效益和广阔的应用前景。

盘形滚刀冲击破岩过程仿真分析与试验研究

随着TBM的广泛应用以及地质条件的复杂多样性,传统的机械破岩方法已经无法满足实际需求。在分析国内外相关研究现状的基础上,研究了新型破岩方法,即冲击破岩的切削性能。基于LS-DYNA对冲击破岩过程进行仿真研究,分析得到冲击量、冲击频率和切削速度对冲击破岩过程的影响规律,并借助滚刀破岩试验台对仿真结果进行试验验证。

干冰粉热冲击破岩基坑围护结构振动安全研究

为了给干冰粉热冲击破岩现场设定施工参数设计提供参考,并对关键工程结构进行全面的安全评价,首次在居民区附近明挖隧道中进行了隧道开挖工程干冰粉热冲击破岩现场试验。在试验中通过压力传感器获得干冰粉致裂筒内部压力变化曲线,使用振动和噪音监测系统监测破岩过程中隧道结构的噪音和振动响应。通过希尔伯特黄变换对振动信号进行分解和特征提取,通过振动能量时域分布和频域分布特征获得振动安全评价参数。研究结果表明:(1)干冰气动破岩最大振动速度在砼冠梁8 m处衰减至50 mm·s^(-1)以下,满足安全质点振动速度要求,噪音在4 m处仅为83 dB,对周边居民生活影响很小;(2)干冰破岩诱发振动速度整体上呈衰减趋势,且符合乘幂函数衰减,可以划分为振动速度缓慢降低区(2.5~10 m)和稳定区(>10 m)两个区域;(3)干冰粉致裂管破裂压力在40~60 MPa,干冰粉热冲击破岩是冲击波和高能气体共同作用致裂岩石,可以分为3个阶段,其中高能气体的气楔作用在岩体损伤中占主导作用;(4)HHT与傅里叶变换分析相比更适用于处理振动信号,获得振动速度峰值和主频率后计算振动最大位移可以更好地对隧道结构进行安全评估。干冰粉热冲击破岩是一种比传统钻爆法更加安全的破岩技术,振动弱,噪音小,适合在城市敏感区域应用。

超临界CO_(2)热冲击破除技术在硬岩开挖中的应用

为验证超临界CO_(2)(二氧化碳)热冲击破除技术的破岩效果及施工应用的可行性,同时应对复杂敏感环境下硬岩破除困难的问题,基于某地铁车站深基坑硬岩破除项目,对超临界CO_(2)热冲击破除技术开展试验。试验研究发现,超临界CO_(2)热冲击破除技术对复杂敏感环境下硬岩和顽石的破除有很强的适用性,特别是在炸药受限的工程条件下,超临界CO_(2)热冲击破除技术是一种行之有效的破岩替代技术,其破岩效率和操作性优于机械破岩等其他技术手段。

分离式冲击-刮切复合钻头破岩机理及钻进破岩研究

随着油气勘探开发的不断深入,传统PDC钻头在深部地层钻进过程中的黏滑、回弹震荡等问题愈加突显,为此提出一种新型冲击-刮切复合PDC钻头,并基于该钻头分离式冲击-刮切的工作原理,开展了单元齿冲击、单元齿切削以及冲击-刮切复合破岩的试验与数值模拟。结果表明,冲击齿冲击岩石产生冲击坑,使冲击坑7 mm范围内岩石强度显著降低,同时可降低切削齿所需切削力,形成了较大切削岩屑,并影响冲击坑附近应力分布。同时基于正交试验,对冲击参数和切削参数的敏感性进行分析,探究各因素对冲击-刮切复合破岩的影响规律,结果表明影响较大的因素分别是冲击位置、切削速度、冲击齿类型以及切削深度。采用全尺寸钻头对比分析常规PDC钻头和复合钻头破岩井底形貌,发现复合钻头井底破碎体积更大。研究内容对研制和应用新型冲击-刮切复合PDC钻头具有重要参考价值。

油气钻井中的分离式冲击-切削复合破岩机制研究

近年来高频冲击类钻井提速理论及工具飞速发展,有效解决了聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,简称PDC)钻头在复杂难钻地层存在的黏滑、回弹震荡等问题,但PDC齿在冲击载荷下的失效问题较为突出。为此,提出了一种新型分离式冲击-切削复合钻头,有效地解决冲击载荷对PDC齿寿命的不利影响。该钻头与传统冲击类工具作用机制不同,破岩机制尚不明确,亟需开展相关研究。基于新型分离式冲击-切削复合破岩形式,分别开展了单元齿冲击、切削以及两者不同组合形式下的破岩试验研究,并进行了相应的数值分析。结果表明,冲击齿冲击岩石形成冲击坑后,冲击波在岩石内部进一步传递,降低了冲击坑附近区域岩石的强度,有效地减少了切削时切削齿所受切削力,提高了破碎体积。同时基于正交试验,对冲击速度、冲击角度以及冲击坑与切削齿偏移距离等因素进行参数敏感性分析,研究了不同冲击参数对冲击-切削复合破岩的影响。上述研究揭示了冲击-切削复合破岩机制以及冲击齿与切削齿最佳组合方式,对油气钻井中的冲击破岩工具设计研究具有重要参考价值。

基于SPH方法粒子射流破岩数值模拟与实验研究

钻井液中加入体积分数为1%~3%的钢质粒子在钻头喷嘴处高速喷出冲击岩石,实现了粒子射流冲击和钻头机械联合破岩,有效提高了破岩效率。利用瞬态非线性动力学有限元模拟软件,基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法,考虑流体对粒子射流冲击的影响,建立了粒子射流冲击破岩的物理模型,获得了粒子射流参数对破岩体积的影响规律,进行了室内实验验证,验证了SPH方法的有效性。结果表明:粒子射流冲击岩石表面形成规则的V型冲击坑;同条件下粒子射流破岩体积是水射流破岩体积的2~4倍;随着粒子射流冲蚀时间的增加,粒子射流破岩体积不断增加,但破岩效率降低;粒子射流压力大于10 MPa后,粒子射流破岩效率迅速增大;喷射角度大于6°后,破岩效率迅速减小。

冲击作用下岩石裂纹长度预测模型及数值模拟研究

为研究动载侵入岩石过程中的裂纹演化规律和预测裂纹长度,根据牛顿第二定律及波动理论,建立了岩石在冲击过程中的最大冲击力与冲击速度间的数学模型,结合岩石在静载作用下的载荷与裂纹长度间的关系,建立了岩石在冲击载荷作用下形成裂纹的长度预测模型,并利用离散元数值模拟方法研究了岩石动态破碎过程中裂纹的形成与扩展特征以及冲击速度对裂纹长度的影响规律。分析研究发现,岩石在冲击力作用下形成的裂纹以张性裂纹为主,且径向裂纹向着岩石自由表面扩展,侧向裂纹从损伤区萌生并向岩石内部逐渐扩展;径向裂纹长度和侧向裂纹长度均与冲击速度呈幂函数关系,数值模拟结果与理论模型结果基本吻合;冲击速度由15m/s增大至35m/s,岩石的破碎范围和破碎深度逐渐增大,形成的径向裂纹长度从3.47mm增大到9.03mm,侧向裂纹长度从7.29mm增大到14.58mm。研究结果为研究岩石的动载侵入断裂和动态破碎机理提供了理论依据。