Experimental research and energy analysis of a new type of dry ice powder pneumatic rock breaking technology

When the traditional drill and blast method is applied to rock crushing projects,it has strong vibration,loud noise and dust pollution,so it cannot be used in densely populated areas such as urban public works.We developed a supercritical CO_(2)true triaxial pneumatic rock-breaking experimental system,and conducted laboratory and field tests of dry ice powder pneumatic rock-breaking.The characteristics of the blast-induced vibration velocity waveform and the evolution of the vibration velocity and frequency with the focal distance were analyzed and discussed.The fracturing mechanism of dry ice powder pneumatic rock breaking is studied.The research results show that:(1)The vibration velocity induced by dry ice powder pneumatic rock breaking decays as a power function with the increase of the focal distance;(2)The vibration frequency caused by dry ice powder pneumatic rock breaking is mainly distributed in 1–120 Hz.Due to the dispersion effect,the dominant frequency of 10–30 Hz appears abnormally attenuated;(3)The traditional CO_(2)phase change fracturing energy calculation formula is also applicable to dry ice pneumatic rock breaking technology,and the trinitrotoluene(TNT)equivalent of fracturing energy is applicable to the Sadovsky formula;(4)Dry ice powder pneumatic rock breaking is shock wave and highenergy gas acting together to fracture rock,which can be divided into three stages,among which the gas wedge action of high-energy gas plays a dominant role in rock mass damage.

地下沉积型磷矿悬臂式掘进机机械采掘试验研究

为解决某沉积型地下磷矿矿山开采遇到的成本高、效率低、安全风险大等问题,提出了机械落矿代替传统钻爆法落矿的技术思想,采用悬臂式掘进机进行机械采掘试验研究。首先根据矿山基本概况进行机械破岩可行性分析,选择合适的悬臂式掘进机装备进行落矿试验。然后对试验期间悬臂式掘进机的回采情况、设备运行指标及经济指标进行了详细测算与分析。试验结果证明,该技术适配沉积型地下磷矿的生产需求,可以有效解决开采过程中遇到的生产难题。研究成果具有重要的实用价值和意义。

PDC钻头在砾岩地层中的破岩机理与适应性分析

PDC钻头在非均质砾岩地层钻进时,不能仅通过磨损来进行优选,应当明确其破岩机理,从而对其应用效果欠佳的情况给予指导。为此,通过有限元软件建立非均质砾岩模型,对PDC单齿破碎砾石地层进行模拟,明确破岩机理,并提出优选建议。分析结果表明:切削齿在砾岩地层切削时,对小粒径砾岩影响切削力的主控因素为胶结物和基质强度,对大粒径砾岩影响切削力主控因素为砾石本身的固有剪切强度;在砾岩地层中,切削齿齿形推荐选用斧形齿,其半径尽量与砾石尺寸相匹配,且优先选择大厚度齿,选择二级、螺旋布齿可减轻单齿的损伤;可以通过优选新型异质材料来改善切削齿力学性能。研究结论可为提高PDC钻头在砾岩地层中的适应性提供理论支撑。

不同结构参数TBM盘形滚刀的破岩效率分析

根据福州滨海快线特定的岩石参数,借助有限元软件ABAQUS进行数值模拟,分析在不同刀刃角、刀刃宽、过渡圆弧半径情况下,滚刀所受的滚动力、垂直力、侧向力和破岩体积的大小情况;分析各参数变化对滚刀三向力和破岩体积的影响规律。结果表明:随着刃宽增加,滚刀所受的垂直力与滚动力均增大;随着过渡圆弧半径增大,滚刀所受的垂直力、滚动力与侧向力均减小,与岩石接触面积减小,破岩体积随之减小;随着滚刀刀刃角增大,滚刀所受侧向力整体呈现增大趋势,滚刀对两侧岩石的压力增大,刀刃角比刃宽与过渡圆弧半径引起的侧向力变化更大。对于滚动力和垂直力的影响范围而言,刃宽>刀刃角>过渡圆弧半径;对于破岩体积的影响范围而言,刃宽>过渡圆弧半径>刀刃角;且相较于刃宽与过渡圆弧半径,刀刃角对侧向力的影响程度最大。

物探冲旋钻头破岩机理仿真研究

冲旋钻井技术已广泛应用于油气资源勘探领域,但仍存在一些不足,比如钻具损坏严重、能量传递效率低、破岩效率有待进一步提高等。因此,有必要进一步揭示物探冲旋钻井中钻头与岩石的互作用机理,为优化设计冲旋钻头提供理论依据。利用显式动力学分析软件LS-DYNA建立了物探冲旋钻头破碎岩石的有限元模型,并进行了计算机仿真,得到了钻头中心齿、第2排齿、边齿、钻头端面的应力时程图和应力波在钻头中的传播图。仿真结果表明:钻头破岩过程中,各个牙齿的应力变化非常大,第2排齿的应力峰值最大,其次是中心齿,再次是边齿;钻头喷嘴处的应力远大于钻头中心端面和排屑槽的应力;应力波在钻头中传播,危险区域经历了从钻头尾部到钻头喷嘴再到牙齿的过程。

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。

钻头切削齿破碎岩石的温度变化试验及机理分析

钻头切削齿是破碎岩石的核心部分,在破岩过程中做的绝大部分功会转换成切削热,导致切削齿温度升高,目前对切削齿温度的影响研究成果主要集中在切削深度、切削速度及切削齿结构方面,但对于岩石特性对切削温度影响程度和机理的认识尚不明晰。为此,在自制的MDES 2000微钻平台上,开展了砂岩、大理岩、花岗岩以及玄武岩等4种典型岩石的钻进试验,基于岩石破碎力学模型和数值分析结果,探讨了岩石特性对切削温度的影响程度并进行机理分析。研究结果表明:①在相同的钻进参数下,岩石强度直接影响不同岩石钻进深度,导致岩石破碎模式(塑性、脆性)的转变,从而造成不同岩石切削温度的波动差异,砂岩、大理岩发生塑性破碎,温度波动范围约为±0.5℃,而花岗岩、玄武岩则发生脆性破碎,切削齿温度波动范围约为±1.5℃;②岩石强度是影响切削温度温升速率变化的重要因素,强度越大所需切削力越大,产生切削热增加,导致4种不同岩石钻进时温升速率随岩石强度的增加而逐次递增;③岩石破碎力学模型和前、后刀面温度分析结果表明,切削齿前刀面起主要的切削作用,是造成不同岩石的切削温度波动程度的主要因素。结论认为,钻进试验与数值模拟所得到的温度变化趋势基本吻合,该成果可以为钻头切削齿工作寿命研究提供借鉴和参考。

斧形PDC切削齿破岩机理及试验研究

斧形PDC切削齿比常规PDC齿具有更明显的破岩优势。为了分析斧形PDC齿的破岩机理,利用有限元仿真模拟与试验相结合的方法,通过斧形PDC齿与常规PDC齿破岩过程的对比与受力分析,揭示了斧形PDC齿破岩过程的力学机制。分析结果表明:斧形PDC切削齿破碎岩石时,斧刃会使其前方岩石内部形成一个剪应力集中区,岩石更易发生剪切破坏;切削齿斧刃吃入岩石后,屋脊形的斧形齿逐渐楔入岩石,从侧向上使岩石发生拉伸破坏,提高了其破岩效率;斧形齿破岩时所受轴向力和切向力小,更易吃入岩石,所受切向力及轴向力波动幅度更小,具有攻击性及稳定性强的优点,不易发生冲击损坏,在井下使用寿命更长。研究结果可以为新型PDC切削齿的研发和高效PDC钻头的设计及应用提供指导。

模拟弹塑性上地壳中逆断层盆地的演化

利用黏弹塑性有限元分析方法 ,模拟了厚为 1 0km的上地壳 (假定上地壳具有Byerlee型强度包络 )中以逆断层为边界的盆地的演化 ;假定基底无黏性 ,而盆地中充填的沉积物密度比地壳密度小 40 0kg/m3 。随着每次以 0 .2 5km位移增量逐渐挤压地层 ,塑性破裂区扩大 ,直至挤压位移至约 5 .5km时 ,出现了破裂切穿整个地层的现象。当达到这种状态时 ,盆地的沉降减慢 ,最终停止。地层被挤压至位移 5 .5km后形成一个 30km宽、5km深的盆地。整个演化过程中 ,盆地转折线逐渐向断层移动。切穿破裂出现以后 ,地层被继续挤压到位移 8km ,以便观察研究断层两侧的挤压褶皱构造。这些褶皱是从早期轻微的挠曲起伏演化而来的 ,到挤压位移 3km时 ,它们开始明显增强 ,到挤压位移 8km时 ,已经形成非常大的背斜和向斜 ,其幅度从断层向两侧逐渐减小。

波动加压下旋挖钻机破岩能力的有限元分析

为了提高旋挖钻机在钻进硬岩时的破岩效率,结合钻具切削岩石的破岩机理,提出了一种动力头波动加压的方式。通过ANSYS软件对单齿破碎岩石的过程进行动力学仿真,获得了波动压力下岩石的应力、应变及裂纹扩展云图。结果表明:波动加压方式具有更显著的破岩效果,且压力超过36kN时,裂纹扩展速率急剧增大,岩石加速破碎。

链子崖危岩体稳定分析与治理

本文论述了链子崖危岩体的地质特征、变形破坏机制；提出了岩体力学参数取值原则并根据大量现场及室内试验工作积累的试验资料得出危岩体力学参数；进而对危岩体进行了稳定性分析、计算，在前述工作基础上提出工程治理措施，并简论了防治工程效益。

复采综放作业面顶板破断规律及围岩控制分析

以复采综放作业面顶板破断规律及围岩控制为对象开展探究。结合具体工程实际,在全面分析复采综放作业面顶板破断规律的基础上,对围岩控制措施做出针对性的简要分析,希望能为其他矿井相似工程的开展提供借鉴和参考。

磨料射流辅助三翼钻头破岩实验研究

通过对磨料射流辅助三翼钻头破碎岩石的力学分析,理论上给出了提高钻进速度的依据,利用自行设计的磨料射流实验系统,采用收敛型喷嘴以不同泵压对预制水泥试件进行冲蚀实验,试验研究表明,在泵压及磨料浓度保持不变的情况下,随着冲蚀深度(靶距)的增加,磨料射流的破岩能力先增大后减小,呈抛物线型变化,存在破碎的最优靶距;随着试件硬度的增加,破岩速度减小,冲蚀深度减小,但破岩最优靶距没有变,同一靶距下,破岩速度变小;随着泵压的增大,磨料射流的最优靶距随之增大,最优靶距受喷嘴加速直线段长度的影响;通过致密砂岩的钻进对比实验得出,在同等扭矩及推力条件下,磨料射流辅助钻进的效率可以提高63.4%.

TBM边缘滚刀组合破岩特性及其影响因素敏感性评价

盘形滚刀是全断面硬岩掘进机(Tunnel boring machine,TBM)破碎岩石的关键部件,边缘滚刀因其安装位置的特殊性,破岩行为不同于正面滚刀。为了研究边缘滚刀组合破岩特性以及破岩参数对其破岩性能的影响,采用颗粒离散元法建立边缘滚刀组合破岩模型,研究边缘滚刀组合破碎花岗岩与石灰岩时岩体裂纹演化过程、应力分布特征以及刀具载荷变化规律。在此基础上,建立基于敏感度熵权的边缘滚刀破岩参数综合评价模型,研究边缘滚刀破岩敏感性参数对破岩效率、裂纹扩展能力等的影响程度。研究结果表明:不同岩石条件下,滚刀破岩特性以及破岩参数敏感度有所区别;滚刀间倾角差、刀盘圆弧半径和刀刃角对边缘滚刀破岩性能影响最为显著,刃宽与贯入度影响次之,刀盘转速影响最小。

新型重力式竖井连续掘进机滚动截齿破岩机理

为改变竖井掘进方式,提高破岩效率,研发一种新型重力式竖井连续掘进机。采用SolidWorks软件建模,利用HyperMesh和LS-DYNA软件开展有限元分析,模拟不同速度下截齿的滚动、扭转嵌入岩石的动态破岩过程;通过现场重力式竖井连续掘进机滚动截齿破混凝土相似试验,进行动态下截齿破岩试验以探究截齿破岩机理。结果表明:截齿在最优滚筒转动速度为30 r/min下破岩比能较低,可加大岩石内部应力变化,削弱岩石内部结构承载力,增加岩石裂缝产生和扩张范围,最终岩石发生凹陷性破坏。再结合重力式竖井连续掘进机滚动截齿破混凝土相似试验,分析在相同时间内混凝土破坏程度,证明最优滚筒转动速度为30 r/min,验证数值模拟的准确性。新型重力式竖井连续掘进机的研发可革新现有竖井掘进方式,尤其对卵砾石、冻土、中低强度岩石等地层具有良好的适应性。