水射流辅助PDC刀具切割岩石的力学分析

通过对水射流辅助PDC刀具切割破碎岩石的力学分析,定量地确定出水射流对机械刀具受力的作用。试验研究表明,水射流辅助刀具切割岩石时刀具受力随切割深度的增加而线性增加;水射流布置在刀具底部后方,并偏离刀具铅垂中性面适当位置辅助刀具破岩时,刀具受力可减少30%～50%,并且刀具力的减少率几乎不受切割深度变化的影响。

超高压水射流冲蚀切割岩石断口微观断裂机理实验研究

由于岩石破碎过程的复杂性,目前对水射流的破岩机理的认识仍然不十分清楚。先采用超高压万能水射流切割机冲蚀切割岩石,然后用扫描电镜对水射流切割岩石断口形貌进行观测,分析了岩石在超高压水射流作用下的破坏形式。观测分析表明,超高压射流切割岩石形成的切槽主要有长形规则和漏斗状两种形状。岩石在水射流作用下的破坏机制主要有拉伸破坏和剪切破坏两种,剥落岩块以穿晶断裂为主,其微观断裂机制是脆性拉伸破坏;切槽凹侧面主要是剪切错动,其微观破坏机制是剪脆性破坏。实验为水射流破岩机理分析提供了实测依据。

基于盾构掘进参数的岩石可切割性模糊识别

基于重庆越江隧道盾构掘进参数和模糊识别原理,对岩石的可切割性进行研究。对典型泥岩和砂岩进行现场点荷载强度试验,利用数据采集、存储系统,获取与典型泥岩和砂岩相应的盾构刀盘推力及掘进速率,并运用多元回归分析方法建立典型泥岩和砂岩地层下的盾构掘进速率预测模型,并构建盾构掘进速率特性空间,依据岩性对空间进行划分,用掘进速率表征相应岩石的可切割性。将样本岩石的掘进速率与典型岩石的掘进速率之差定义为距离,利用模糊识别原理,建立掘进速率与归一化距离的对应关系,获得样本岩石掘进速率对典型岩石的掘进速率的隶属度,从而建立岩石可切割性识别函数。重庆越江隧道沿线围岩以泥岩、砂岩及泥岩夹砂岩交互变化为特征,属于软岩～中硬岩系列,岩石软硬变化范围不是很大。因此,将岩石可切割性划分为软、中软及中硬三个级别,对掘进过程中岩石的可切割性进行识别。识别结果是隧道施工阶段工程地质勘察报告的有益补充,增强了盾构掘进控制的科学性和准确性,为预测刀具磨损和确定换刀时机提供了科学的参考依据。

准直管磨料射流在岩石上切割深槽的研究

为了提高坚硬岩石巷道的掘进速度和质量，提出了将准直管磨料射流用于岩石巷道掘进的新型方案，并讨论了其组成和工作特点，分析了准直管磨料射流装备的结构和工作原理．重点研究了磨料在准直管中的加速过程及准直管结构和工作参数对切割效果的影响．研究表明，准直管长度在０４～３０ｍ范围内磨料射流在岩石上切割效果基本不变，为开发新型的掘进系统提供了初步的理论基础和设计论据．

深水下岩石切割的模拟试验研究

通过自行开发设计的一套深水环境条件模拟试验装置,进行一系列深水环境条件下磨料水射流切割岩石的试验研究。针对岩石切割深度的主要影响因素,分别进行一系列的靶距变化、切割次数变化、射流横移速度变化和不同水深的模拟试验,从而揭示在深水环境条件下岩石切割深度与各主要切割参数的关系和规律,以及水深对岩石切割深度的影响。在深水环境条件下岩石切割技术的生产实际应用中,要综合考虑切割次数和射流横移速度与效率的关系;岩石等材料的合理靶距是一个关键性技术问题,应控制在有效靶距范围内才具有实际意义。

岩石切割的有限元模拟分析

在建立岩石等脆性材料切割的力学模型基础上，采用有限无法对切割时呈现的力学状态进行了分析，且对刀刃压入后裂纹的产生和扩展初始阶段进行了模拟。其结果表明，对内部缺陷较少的岩石，以应力基准判定裂纹的产生是可行的；裂纹的类型与材料的脆性度有关；切削阻力随切入深度增大呈非线性增加；裂纹扩展的初期路径与刀具的前角有关。

线型聚能装药切割岩石的爆破机理分析

对线型聚能装药爆破的射流参数、切割过程及深度进行了理论计算和分析,对性型聚能装药爆破作用进行了探讨。采用断裂力学和爆炸理论,对岩石中的切槽裂纹的扩展和贯通原理及过程进行了理论分析和计算,并提出了聚能装药的切割参数和不偶合装药系数的计算公式。

新型岩石切割锯条的研制与试验

新型岩石切割锯条的研制与试验山东矿业学院（２７１０１９）程宁，霍万库，徐庆莘［摘要］本文阐述了采用锯条镶焊硬质合金的工艺方法，使新型岩石切割锯条强度高、硬度高，具有良好的耐磨性，其性能达到国内先进水平。石材锯断断面平整光洁，可不用再进行粗磨加工；切割...

硬岩非爆机械化采掘技术发展与展望

近年来,随着地下工程建设及资源开采规模不断扩大,硬岩机械化采掘技术和装备得到不断创新和发展。传统钻爆法因其危险性高、衍生破坏大,难以满足现代岩石工程发展需求。硬岩非爆机械化采掘技术以其安全、高效、经济、智能化进程快等优势已成为现代岩石破碎工程的主要发展方向。从岩石可切割性、机械刀具(破岩工具)和机械装备3个角度对硬岩非爆机械化采掘技术的发展现状进行了论述。研究表明:岩石可切割性从单一指标评价向多指标综合评价发展;机械刀具类型呈现多样化,刀具性能伴随合金技术和涂层技术的发展而不断提质,并且刀具的设计制造注重在刀具硬度、耐磨蚀性与冲击韧性间寻找最佳平衡点来提高刀具使用寿命;破岩机械装备正在逐步向大型化、重型化、智能化、多样化、精细化发展,以更好地实现硬岩的高效、安全、经济、精细化采掘。在上述分析的基础上,展望了硬岩非爆机械化采掘技术的未来发展方向,认为未来亟须攻克的难点有:①建立深部岩石破碎力学与能量模型,探寻深部硬岩高应力诱导利用与高储能调控方法,开发硬岩诱变改性降危增割协同破岩方法与技术;②明晰硬岩破碎过程的多场多相耦合及多尺度破裂、破坏、破碎过程,开发机械刀具、水力、热力等多源联合破岩技术及装备;③揭示深部破岩扰动诱发高储能岩体动力灾害的力学及能量机制,提出针对性的防控方法;④开发与岩体特性、地应力条件、破岩需求协同匹配的精细化智能破岩技术与装备,形成非爆机械化智能采掘方法与技术体系;⑤构建非爆机械化采掘全过程管理模式,完善硬岩非爆机械化采掘作业流程。通过以上研究攻关,有望促进非爆机械化采掘技术在硬岩工程中的规模化应用,实现硬岩的安全、高效、绿色、智能采掘。

旋切作用下岩石破碎机理及岩石可钻性的试验研究

为揭示钻头旋切作用下岩石破碎机理,开展地层岩石可钻性分布识别研究。基于自制的岩石旋转切割装置,分别对花岗岩、大理岩和石灰岩的标准岩样进行不同加载压力和旋转速度下的室内岩石旋切破碎试验,通过旋转切割装置中的钻进监测系统和高速摄像机分别记录岩石旋切破碎过程中钻进参数变化(加载压力、旋转速度和旋切扭矩)和岩石旋切破碎表象特征,并统计不同钻进条件下的破碎岩屑质量和尺寸分布等参数分析岩石旋切破碎控制因素。试验结果表明:岩石旋切破碎过程中,钻头在贯入和切割共同作用下呈螺旋线型侵入岩石内部并导致岩石分别发生贯入破碎、剪切破碎和拉伸破碎,其中部分大尺寸岩屑因吸收的切割破碎能较大而发生崩裂,但大部分破碎岩屑堆积在钻头切割路径内,增加了切割摩擦能;加载压力是岩石旋切破碎程度的主要影响因素,在相同加载压力下,破碎岩屑质量和尺寸分布分别受岩石抗压强度和抗拉强度影响;旋切扭矩与加载压力呈正线性关系,且岩石耐磨性和切割比能越高,该线性斜率也越高,而钻头旋转速度不影响该线性斜率变化。据此提出了不受钻进条件影响且仅与岩体固有属性(岩石固有切割比能和岩石摩擦因数)相关的岩石可钻性理论评价模型,并通过已有文献原位钻进数据验证了该岩石可钻性评价模型在实际工程中的有效性。

磨料参数对准直磨料射流切割性能的影响

根据多相流体介质在准直管内有阻流动方程式数值分析了供料量和粒径对准直磨料射流中磨粒加速效果的影响。研究表明 ,磨粒速度随着供料量的增加而逐渐降低。磨料质量浓度小于 9.5%时 ,供粒量对磨粒速度影响不显著。不同的供料量对应着不同的最佳管长 ,粒径越小磨粒加速越快 ,磨料射流的切割效果取决于磨粒速度和粒径大小 。

脉冲磨料射流的基本理论与试验

脉冲磨料射流是在脉冲射流和磨料射流基础上发展起来的新型射流型式。磨料速度受脉冲频率和幅度影响很大，磨料在脉冲射流状态下的能量交换和加速效果优于普通磨料射流，磨粒速度可超过前喷嘴喷出的射流的速度。本文讨论了脉冲磨料射流的结构和工作原理，初步建立了磨料在脉冲射流中的运动模型，分析了主要参数对磨粒加速效果的影响。理论与试验研究表明，脉冲磨料射流的切割效果优于普通磨料射流。本研究有望开发出新型射流型式和装置，推动新一代切割及加工技术的产生。该成果可用于坚硬物料的切割和特种加工、石油钻井、大洋采矿、难采矿体的开采、坚硬岩石巷道（隧道）掘进、表面清洗等领域。

高压水射流破岩机理研究

由于高压水射流破岩涉及的因素较多 ,且影响因素的作用规律比较复杂 ,致使其破岩机理一直未能被准确揭示 ,从而制约着水射流技术的应用和发展。对水射流破岩理论研究的状况进行了回顾 ,系统评述了水射流破岩研究中的理论要点 ,在此基础上指出水射流的冲击动载荷、岩石的动态本构关系、岩石与水射流的耦合作用以及水射流破碎岩石的数值模拟研究等是水射流破岩机理研究的发展方向 。

柱壳周期阵列平齿取芯钻断裂型破岩机理

当二维刚性平端压头作用在弹性体的表面时,形成一个平面压痕,并在压痕的边界诱生出裂纹型的奇异应力场,该应力场将使弹性体的表面产生断裂型开裂。柱壳周期阵列平齿取芯钻作为典型的平面压痕模型在工程中的应用,利用平面压痕断裂力学模型,分析了该取芯钻的断裂型破岩机理。导出了柱壳周期阵列平面压痕I-型和II-型应力强度因子,给出了周期阵列压痕临界开裂角的上界与下界,以及临界破岩载荷的上界与下界,建立了取芯钻断裂型破岩行为的定量分析方法。

Cutting capacity of PDC cutters in very hard rock

An experimental programm of investigating the cutting capacity of PDC flat cutters in very hard rock has been performed. Experiments include both the cutting of PDC fixed at different angles on the granite core or bar and linear cutting with different static thrust on the block of granite. The effects of the rough degree of rock surface, cutting angles, and static thrust on the cutting capacity of PDC in very hard rock were investigated and analyzed. The results show that the single mode of rotary drilling using PDC cutters is not applied for very hard rocks.

综采面过断层的布设方式探讨

随着综合机械化采煤工作面过断层现场技术及经验的积累与完善,经过不断探索和发展,针对不同类型的断层构造,对应的过断层的方式也趋于多样化,常见的方式有调整割煤高度法、破顶起底法、强割硬过法、跳采法和综合方法。综采工作面过断层时的布设方式对工作面推进速度及煤资源开采效率存在很大影响,具体体现在过断层时割煤机切割顶底板的岩石总量以及煤资源剩余量两个方面。本文根据破顶起底法与调整割煤高度法的综合方法,主要探讨落差小于煤层厚度的迎面正断层,工作面布设方式对推进效率的影响,研究过断层切割顶底板岩石量及煤资源剩余量与工作面布设之间的关系。得出:综采工作面布设时,断层上下盘内的工作面布设长度相近,综采面倾角的设计范围应在3˚至9˚内,可有效提升工作面推进速度及提升煤资源开采效率。

矿用液压支架辅助破岩装置的研究与设计

为了破碎采煤工作面顶部的突出岩石,减少采煤机截齿的磨损,研究设计了矿用液压支架辅助破岩装置,介绍了该装置的结构组成及驱动方式,详细阐述了该装置的工作原理、安装方式以及操作流程。通过采用40 MPa、45 MPa、50 MPa的高压水射流压力对岩石样本进行模拟实验,结果表明,该装置横向移动、纵向移动以及岩石切割与破碎均能达到设计要求,且装置强度可承受实验高压水射流的反冲击。本装置在破岩时可远程操作,与传统爆破破岩方式相比,具有冲击力可调、易于操作、不会产生火花、作业安全以及辅助降尘等特点。

煤矿巷道快速掘进施工工艺研究

为提升煤矿巷道掘进施工工艺的掘进速度,实现巷道围岩的稳定性与煤矿资源开采效率的提高,本文研究一种煤矿巷道快速掘进施工工艺。简述工程概况,分析煤矿巷道掘进施工地质条件。通过硬岩掘进机快速截割掘进工艺,选择硬岩掘进机实现顶板底板同时掘进;钢带挂网锚喷支护煤矿巷道技术,固定锚杆在较为稳定的围岩结构上;经掘进工作面岩石切割运输,平整煤矿巷道,至此完成施工流程。经施工效果分析,在为期7天的监测周期内,煤矿巷道围岩的变形量较小,在20cm的安全范围内;煤矿巷道顶板基本保持稳定,1号测站顶板离层未发生变化,2号测站产生较小的顶板离层;锚杆载荷变化量随与工作面距离加大而减小,各检测点的锚索抗拔力强度均在15T以上,锚索施工质量合格,证明本文方法具有可行性。

JSBZ隧道悬臂式振动掘进机截割臂的研究

通过对JSBZ隧道悬臂式掘进机工作过程的分析,确定出工作机构的简图并计算出工作臂连接处的受力和工作油缸的受力计算式,以工作臂的每个组成部分作为研究对象建立有限元分析模型,进行强度和刚度计算,得到较满意的结构设计截面。