单齿静压入实验破碎坑的数据处理及几何建模

单齿静压入实验是“牙轮钻头与岩石互作用仿真”课题的基础实验研究工作。西南石油学院钻头研究室针对四类岩石、三类不同冠部形状的硬质合金牙齿 ,进行了大量的单齿静压入实验。根据实验结果提出了三类牙齿静压入破碎坑的几何模型 ,并简要介绍了通过破碎坑实验数据的处理获取几何模型特征参数的方法。

牙齿刮切实验破碎坑的几何建模

牙齿刮切实验是“牙轮钻头与岩石互作用仿真”课题的基础实验研究工作。西南石油学院钻头研究室针对不同岩石、不同齿形的硬质合金牙齿,进行了大量的牙齿刮切破岩实验。以楔形齿和锥形齿为例提出了牙齿刮切破碎坑几何模型的建模过程,并简要介绍了获取破碎坑几何模型特征参数的方法。

牙轮钻头牙齿破碎坑几何特征分析

用勺形齿和楔形齿在不同的钻压、钻头移轴距、钻头转速条件下破碎砂岩、石灰岩,得到多组不同的破碎坑试验数据。通过对破碎坑的观察与分析,利用几何造型技术,建立了能够综合反映齿形特征和岩石性质的理论破碎坑三维几何模型。并确立了岩石特性、钻压、钻头移轴距、转速、齿形和破碎坑特征参数的对应关系。当给定钻井参数,不同结构的钻头在进行破岩时,可以根据几何模型计算出岩石的破碎量。

三牙轮钻头牙齿破岩的破碎坑几何建模与分析

岩石在钻头牙齿作用下形成的各种破碎坑和井底的测量与分析是钻头试验技术中的重要环节,也是研究钻头破岩机理和评价破岩效率的重要手段。以三牙轮钻头上单齿圈为对象进行试验,研究钻头破碎岩石后得到的破碎坑。针对不同岩石、不同齿形的硬质合金牙齿,进行了大量的牙齿刮切破岩试验,并利用逆向工程软件对试验数据进行整理计算。以勺形齿和楔形齿为例提出了牙齿刮切破碎坑几何模型的建模过程,并简要介绍了获取破碎坑几何模型特征参数的方法。

岩体强度对牙轮单齿作用下破碎坑的体积及形态影响研究

借助连续-非连续单元法(CDEM),对牙轮钻单齿压入破岩的机制进行了探讨,研究了加载过程中破碎体积及破碎坑的演化规律,分析了岩体凝聚力和内摩擦角对单齿破岩体积及破碎坑形态的影响。数值计算结果表明,破碎坑基本上呈半椭球体,其宽深比仅受内摩擦角控制,随着内摩擦角的增加,破碎坑的宽深比减小。破碎坑的宽度、深度及单齿破岩体积可用齿压F、钻齿半径r、凝聚力c及内摩擦角?表征,基于数值计算结果给出了破碎坑的宽度、深度及单齿破岩体积定量表述的公式;基于相关理论公式,考虑各个同时与岩石接触的几个齿轮对岩石的损伤是相互影响的,引入单齿破岩体积的修正系数,建立了牙轮钻的工作参数(轴压、转速、进尺速度等)与岩体凝聚力及内摩擦角的函数关系。在鞍千矿南采区进行了牙轮钻随钻测试的现场试验,获得了不同岩性下的单齿破岩体积,并就近取样测试了岩体的凝聚力及内摩擦角。当修正系数取0.363时,现场测试结果与基于数值计算得到的单齿破岩体积基本一致,从而证明了数值计算及相关理论推导的正确性。研究成果可以为岩体强度的动态测试提供依据。

锥面岩石破碎坑的数字化测量分析技术

在单齿圈破岩试验中,理想的岩样是与牙齿齿顶线相贴合的锥面岩样。由于缺乏对锥面岩石破碎坑的有效的、高精度的测量手段,所以传统的单齿圈试验都是针对平面岩样进行的。通过研究锥面井底的几何特征,介绍了一种测量锥面岩石破碎坑的数字化方法,阐述了井底数字化、基准面拟合、破碎坑识别和几何量计算的基本原理。实际应用表明,利用该技术能够对任意角度的内锥面、外锥面岩石破碎坑和井底进行高效率、高精度的数字化测量和分析。

钻头平端牙齿侵入岩石破碎机理

平端牙齿侵入岩石过程,能表征大部分钻头磨损后牙齿侵入地层的工作过程,对其破碎机理的认识是钻头设计和破碎效率分析的基础。依据平端牙齿-岩石压入过程岩石内部的应力分布特征,将岩石的破碎过程假设为三个阶段:初始起裂阶段、密实核形成阶段和体积破碎形成阶段,然后运用弹性力学和莫尔强度理论,建立了密实核和体积破碎坑的形成条件和形态参数计算模型,得到了岩石强度、泊松比、内摩擦角及外在条件对破碎过程及破碎坑形态的影响和控制规律。结果表明:产生体积破碎所需要的临界应力随泊松比的增大呈指数形式减小,随内摩擦角的增大呈指数形式增大,破碎坑顶角随泊松比增大线性较小,随摩擦角的增大线性增加。研究成果能够指导钻头破岩效率评价和钻进施工参数优化。

落锤破碎坑的设计

根据生产工艺的需要、破碎金属的数量材质规格、破碎坑的平面尺寸、地基土的类别和落锤的冲击能量等设计资料,进行综合分析,合理确定落锤破碎坑的基础形式、坑内4层填充层的做法及厚度,并进行构造设计和动力计算,同时考虑各种防护措施,确保厂房、落锤坑的使用安全以及生产检修人员的人身安全。

动静复合加载下红砂岩破碎规律研究

振动碎岩具有能量消耗量低、所需轴向压力小等特点。为提高碎岩效率同时降低成本,进行了振动-加压相结合的碎岩模式研究。本文以红砂岩为研究对象,围绕动静复合加载条件下球齿侵入导致的红砂岩内部裂纹扩展规律开展研究。结果表明,球齿下岩石的破碎程度随着动、静载荷的增大而变大,并且只有当组合载荷峰值达到100 kN时,岩石才会发生明显的体积破碎。在破岩初期,当载荷较小时,岩石倾向于发展为侧向裂纹,岩石损伤成“宽而浅”特点。随着载荷的增大,岩石更倾向于发展中间的深部裂纹,而后才倾向于发展侧向裂纹,即呈“窄而深”的特点。岩石破碎的各项指标受各载荷参数的影响程度存在差异:即在相同的幅值增量条件下,增加动载幅度导致的破碎程度要大于增加相同静载荷时的破碎程度。以上结论可为提高动静载复合破碎硬岩效率、攻克硬岩钻进技术难题提供重要支撑。

澳大利亚某特大型露天铁矿坑内破碎运输系统的应用实践

当前国际铁矿石价格持续低迷,通过规模效益降低生产成本成为矿山企业盈利的主要手段。随着矿山规模的增大,坑内破碎运输系统(In-pit crushing and conveying,IPCC)的优势逐渐显现。以澳大利亚某特大型露天铁矿为例,首先详细分析了IPCC系统的粗破碎、胶带运输、粗矿堆场堆/取料、废石/尾矿堆场存等功能;然后详细对比了IPCC系统与传统汽车运输系统特征,认为前者在项目总投资、运输成本、爬坡能力、劳动强度、环境污染等方面较后者有明显优势。研究表明,IPCC系统在矿山应用前景广阔,有较大的推广应用价值。

麦依丹佩克(Majdanpek)铜矿的坑内破碎和高倾角运输——生产现状和未来的发展

南斯拉夫麦依丹佩克铜矿已被证明是粗破碎和采用胶带运输机运输方面的技术领先者。继1980年代早期开始进行的二个阶段的破碎和胶带运输机运输工程获得成功之后,于1992年开始进行了第三期工程,引进了坑内可移动式破碎机、岩石胶带给料机(给入破碎机)和高倾角运输机-HAC(R)。高倾角运输机直接沿着陡壁从坑内连续提升破碎后的矿石。岩石胶带给料机和高倾角运输机用于坑内一级运输在1990年尚无先例。1992年未,第三期系统证明具有高工作效率、低运转费用和维修成本。它在最困难的时期(1992-1995)挽救了矿山。本文介绍了1992年以来三期系统的运转情况及其优越的性能和节省费用的成效。目前,公司充满信心地计划为不断加深的矿井扩建坑内破碎-高倾角运输系统。

对矿山坑内破碎系统设计实例的剖析

通过对程潮铁矿、金山店铁矿和拉萨水泥厂石灰石采场等地下破碎系统工程实例的剖析，指出矿山坑内破碎系统设计必须十分重视矿石的特性、系统所在位置的岩石性状，综合研究确定整个系统的合理布置形式，选择相宜的开凿与支护参数等。

不同双向侧压作用下TBM滚刀侵入破岩特征及效率研究

为研究不同双向围压条件下TBM滚刀破岩特征及效率,基于真三轴试验平台进行了滚刀顺次侵入试验,并利用形貌扫描仪对滚刀侵入后形成的破碎坑形态及体积进行了分析。结合裂纹发育及滚刀破岩效率分析,结果表明:当较小围压(Sig_1)一定时,随着围压差的增大,虽然TBM滚刀侵入过程中的侵入能量逐渐增大,但其形成的破碎坑体积也随之增大,进而导致其破岩效率的增大。当较大围压(Sig_2)一定时,随着较小围压的增大,其侵入能量也随之增大,但其破碎坑体积随之减小,进而导致其破岩效率降低。

异形单牙轮钻头破岩仿真及齿形选择

为了给异形单牙轮钻头每个齿圈选择出破岩效率较高的齿形,进而达到提高整个钻头破岩效率的目的,对异形单牙轮钻头破岩机理进行了研究,建立了异形单牙轮钻头与岩石相互作用的仿真模型,通过有限元分析软件LS-DYNA对钻头的破岩过程进行了仿真,而且通过物理试验对仿真结果进行了验证,并将试验结果与仿真结果进行了对比。建模时牙齿和岩石单元划分均采用三维8节点实体单元3DSOLID164,对岩石的周围和底边采用无放射边界条件并进行全方位约束。分析结果表明,用LS-DYNA仿真软件可以对单牙轮钻头的破岩过程进行较真实的计算机仿真,且能得出理想的结果;异形单牙轮钻头小端齿刮切量较大,大端齿冲击量较大,在为这些齿圈选择和设计牙齿时应综合考虑。

考虑水平刮切作用的旋转钻井牙齿侵入规律

考虑旋转钻井钻头牙齿对井底岩石产生的水平刮切作用,分析了井底岩石侵入系数的变化规律以及初次侵入破碎坑的形状,得出旋转钻井重复侵入时井底岩石的破碎过程以及载荷侵深曲线形态,进一步揭示了旋转钻井牙轮钻头破岩机理:随着摩擦因数的增大,刃前岩石侵入系数线性降低,刃后岩石侵入系数线性增加;初次侵入时破碎坑为非对称的不规则形状,岩石破碎体积比只考虑垂向压入作用时小,发生剪切破碎时所需的载荷低;刃前岩石发生剪切破碎以后,刃后岩石由于应力集中效应,达到剪切破碎时所需的整体载荷降低,存在水平刮切作用时岩石多次侵入剪切破碎更为容易;重复侵入时井底岩石剪切破碎频数是只考虑垂向压入作用时的两倍,剪切破碎时载荷下降的幅度降低。

气射流破煤连续过程机理与数学模型

针对水力化增透措施在松软低渗煤层应用过程中存在的水封抑制瓦斯解吸和降低煤体渗透率的缺陷,提出高压气射流冲孔破煤增透的技术方法,同时为明确气射流冲孔破煤的特性,基于空气动力学与岩石力学理论,分析了气射流破煤的连续过程机理,推导了连续过程数学模型并建立了破煤能力与破碎坑特征的判识准则。分析认为,高压气体经缩放型喷嘴实现超声速跃迁加速流动;自喷嘴喷出的气流在空气介质的剪切作用下,轴向速度衰减,径向断面扩张;当射流冲击作用于煤体后,产生破碎核和延展裂纹,在拉伸作用下发生失效破坏,形成塑性破碎坑。选取3种不同强度的煤体和1种砂岩进行的气射流破煤规律计算结果表明,当提高喷嘴入口压力和喷嘴直径时,气射流滞止点处压力均不断增大,在低压力入口条件下,气射流可对强度较小的煤体造成冲蚀破坏,当入口压力达到16 MPa时,可实现对砂岩的冲蚀破坏;随着射流压力的提高,冲蚀形成的破碎坑轴向深度和径向长度都不断增大,但轴向深度增加量要远大于径向长度增加量,破碎坑形状由最初的锥形渐变为橄榄球形。

基于反求技术的井底几何信息分析

岩石破碎坑和井底的测量分析是钻头实验技术中的重要环节,也是钻头破岩机理研究和钻头性能评价的重要手段,而现有的测量分析方法精度或效率较低。为此,将反求工程技术引入到井底的测量和分析中,建立了井底模式扫描分析系统。介绍了该系统的原理、功能和特点,以及岩石破碎坑几何分析技术的基本原理。应用情况表明,该系统能对各种类型的岩石破碎坑和井底进行数字化测量和分析,而且测量分析的精度和效率均较高。

非成岩水合物组合喷嘴射流破碎规律研究

基于LS-DYNA软件,建立淹没水射流破碎天然气水合物沉积物的拉格朗日-欧拉流固耦合模型,分析射流速度、喷嘴直径和喷嘴间距等对组合射流破碎结果的影响。基于自主研制的水合物替代试样以及相关试验装置,进行淹没水射流破碎天然气水合物沉积物的试验,通过三维扫描仪得到破碎坑形貌,测量了破碎坑尺寸。研究发现:增加射流速度可有效提高射流破碎效率,喷嘴直径对射流破碎坑直径影响明显。对比喷嘴直径为3 mm和4 mm以及4 mm和5 mm射流形成的破碎坑宽度,分别增大了111.66%和123.63%;当射流速度与喷嘴直径一定,喷嘴间距在17~51 mm之间增加时,破碎坑体积先增大后减小,且存在一个最优间距;减小喷嘴直径会增加节流压耗,直径过小还会导致设备精度和寿命降低;射流采掘工具未旋转时产生的射流破碎坑会降低破碎效率和破碎坑壁面的稳定性。这项研究为组合喷嘴射流破碎水合物沉积物提供了参考和依据。