机液复合全通径丢手工具的研制及应用

针对超深碳酸盐岩长裸眼井酸压完井中常规丢手工具可靠性及通径能力不足的问题,研制了一种新型机液复合全通径丢手工具。该丢手工具集成机械丢手工具和液压丢手工具的优点,采用棘爪式承载结构保障在深井管柱下放过程中,对丢手工具的高抗拉需求,利用压差滑套作为棘爪解锁机构,实现工具全通径,棘爪解锁后再依靠机械剪切销钉进行管柱高效丢手。新研制的丢手工具,既能保障深井长裸眼内完井管具的安全下入及后期顺利丢手,又避免了管柱缩径节流问题,有效降低长酸压管柱摩阻,同时也为后期修井作业提供更多选择性。通过有限元分析,室内整机试验及现场应用评价,验证了新研制的机液一体全通径丢手工具性能的可靠性及实用性,累计应用46井次,一次到位和丢手成功率均为100%,其中最深7178.94 m,最大井斜角92.20°,具有广阔的应用前景。

小转弯曲线隧道TBM选型与掘进姿态调控方法

小转弯隧道施工时全断面隧道掘进机(full-section tunnel boring machine,TBM)的选型设计和掘进姿态控制具有特殊性,目前还缺乏通用的理论依据和指导方法。针对此问题,首先,对传统类型TBM小转弯选型进行研究,结合已有项目数据和几何模拟,确定传统类型TBM能适应的最小转弯半径。然后,对双盾敞开式TBM的推进系统和导向系统进行针对性设计,通过分析双盾敞开式TBM推进系统结构和实际施工,提出转弯时双盾敞开式TBM推进油缸内外侧行程差值的理论计算方法和施工过程中的姿态调控方法。最后,得出如下结论:1)当隧道转弯半径小于200 m时,敞开式TBM适应难度较大,需要采用双盾敞开式TBM;2)结合抚宁抽水蓄能电站项目实际施工情况,提出的双盾敞开式TBM的理论计算方法和姿态调控方法确保了转弯段隧道的轴线偏差在要求范围内。

大口径火炮臂式输弹机运动控制系统设计

以输弹机传动特性和各装填角度下弹丸完成装填时所需的初始动能为出发点,从传动机构传动特性、传动系统转动惯量等方面进行分析和计算,确定了转速、扭矩等电机参数,设计了臂式惯性装填机构运动控制系统。在Simplorer中搭建外部驱动电路模型,在Simulink中搭建单电机矢量控制模型,利用联合仿真试验,验证了所设计的驱动系统在15°~70°装填角区间的性能。试验结果表明,弹丸在所设计的装填角度区间内能够完成可靠装填,设计方案的可行性,为解决实际工程问题提供了理论依据和试验方法。

全断面竖井掘进机锥形刀盘破岩机理研究

刀盘刀具系统作为全断面竖井掘进机的关键组成部分,不同刀盘锥度及刀间距对滚刀破岩起决定性的作用。运用ABAQUS软件建立滚刀动态破岩模型,分析不同刀盘锥度和不同刀间距对滚刀破岩的影响,并获取了滚刀在破岩过程中的受力情况及破岩效率。结果表明:滚刀破岩效率随着刀盘锥度的增大而减小,滚刀破岩效率随着滚刀安装半径的增大而减小,综合滚刀受力、破岩效率和实际工况,得到刀盘锥度为120°、滚刀刀间距为40 mm时,滚刀破岩效率最高。为竖井掘进机锥形刀盘设计提供了理论依据,有效提高了竖井掘进机破岩效率和整机研制水平。

基于ADAMS的全断面竖井掘进机锥形刀盘载荷特性

全断面竖井掘进机锥形刀盘在竖井施工中具有导向性好、姿态调整方便等优点,滚刀作为竖井掘进机施工中最直接的破岩工具,获取其载荷分布规律对于竖井掘进机的刀盘刀具系统的合理设计和掘进过程中装备姿态的调整具有重要意义。基于ADAMS建立了全断面竖井掘进机锥形刀盘与岩体耦合模型,合理施加约束条件对正常掘进工况进行仿真,获取了竖井掘进机锥形刀盘刀具的载荷分布规律。结果表明:由于安装方式的不同,正滚刀所受到的侧向力和滚动力均大于中心滚刀,对正滚刀刀座与辐条之间的连接强度提出了更高要求;随着正滚刀在刀盘上安装半径的增大,其受到的垂直力也增大。中心滚刀所受到合力载荷稳定性较正滚刀明显较好,波动更小;随着滚刀在刀盘上安装半径的增加,滚刀所受到的合力载荷大小波动更大,载荷稳定性也更差。

全通径滑套可溶球座冲蚀数值模拟优化与试验研究

针对常规投球滑套压裂级数受限、球座钻除难度大、无法实现井筒全通径等问题,开展了全通径可溶球座式滑套的研究,通过Fluent软件对全通径滑套用压裂球座进行冲蚀模拟。采用空间填充设计法对球座“凹面”结构进行参数试验,并对其进行响应面预测通过筛选法寻求参数最优值。优选石墨烯、硬质合金两种表现耐冲蚀涂层,通过冲蚀现场试验对比了两种材料的耐冲蚀效果。结果表明:经过响应面参数优化后的“凹面”结构球座平均量损失相比原模型明显降低,经过冲蚀测试发现表面硬质合金球座耐冲蚀性能优于石墨烯球座。研究成果对球座耐冲蚀磨损性能优化改进有指导意义。

全断面隧道掘进机主轴承受力分析及不拆解状况下的检测方法

文章主要分析了全断面隧道掘进机主轴承三列滚子的结构形式及不同工况下受力状况。并通过计算分析,阐明了全断面TBM主轴承三列滚子的磨损情况与主轴承寿命的相互关系。为隧道工程项目提出了一套具有参考价值的主轴承定期磨损检测方案。

三模式掘进机全断面岩层段TBM模式施工技术研究

为研究三模式掘进机使用TBM模式在全断面岩层中的施工技术,以广州地铁7号线二期萝岗站—水西站盾构区间工程为研究背景,分别从出渣方式、掘进参数控制、刀具管理和稳定器应用4个方面对三模式掘进机TBM模式施工技术进行总结。结果表明:1)本工程中三模式掘进机使用镶齿滚刀施工,相对光面滚刀的消耗更少,刀盘转矩更低;2)三模式掘进机TBM模式采用泥浆循环和螺旋输送机双通道出渣,可显著降低泥浆管堵塞的概率,提高出渣效率;3)三模式掘进机在前盾、中盾安装稳定器和撑靴,可保证全断面硬岩地层中掘进盾体不发生滚动,同时增强盾体稳定性;4)在全断面岩层中采用三模式掘进机TBM模式开挖隧道,刀盘转速为3.0 r/min,总推力约15000 k N,转矩可控制在1300 k N·m,推进速度为8~12 mm/min。

小型巷道全断面掘进机快速施工关键技术与应用

岩巷掘进效率对于煤矿高效生产具有重要影响。与传统的钻爆法和综掘机法相比,盾构掘进施工法在掘进效率方面具有显著优势,已逐步应用在煤矿岩巷掘进施工中,但其直径一般都超过5 m,难以适用于小断面岩巷。因此,为提高小断面岩巷掘进速度,综合考虑井筒罐笼提升、设备运力、巷道尺寸、瓦斯治理模式、设备防爆性能、连续化排矸、巷道施工条件等因素,研制出了直径为3.5 m的小型矿用全断面掘进机。基于工程地质条件进行数值模拟,提出砂岩、砂质泥岩和泥岩顶板条件下的最优支护参数,获得了巷道最优支护参数,并通过动态调整实现巷道围岩分类精准控制,达到“围岩控制稳定、支护材料数量精确、支护耗时少”的目标。通过研制钢筋自联网、超长运输能力带式输送机,提高整机变坡范围(-9°~+9°),改进刀盘冷却水循环系统,超前治理断层技术,解决了现场应用中遇到的技术难题。研究结果表明,连续化排矸系统构建、盾构机作业线设备配置、快速始发与拆除技术、巷道精准支护施工及劳动组织方式均为保障盾构机快速施工的关键技术。最后,将该小型矿用全断面掘进机及快速施工技术应用于顾桥矿东一边界回风巷,7个月内完成3115 m岩巷掘进施工,月进尺600.6 m,刷新了淮南矿区岩巷掘进施工记录,掘进效率提高至钻爆法的3.15倍,人均工效提高至钻爆法的3.82倍。

TBM掘进煤矿巷道装配式支护结构足尺试验

随着全断面掘进机(TBM)在煤矿深井岩巷掘进中的推广应用,不良地层已成为影响TBM掘进煤矿深井岩巷施工安全性和掘进效率的主要因素。为解决TBM在煤矿不良地层中巷道围岩支护困难的问题,提出了TBM掘进煤矿巷道装配式支护结构,并加工制作了装配式支护结构足尺模型,使用煤矿井巷支护结构大型试验平台,开展不同侧压系数下的支护结构足尺加载试验;通过拉杆式位移计监测支护结构关键节点位移,采用应变片监测支护结构足尺模型应变分布演化规律,同时搭建足尺模型变形摄影测量监测系统,监测获得足尺模型变形数据;开展侧压系数为λ=1.0和1.5两种加载条件下的装配式支护结构足尺模型均载和非均载试验;试验研究装配式巷道支护结构的变形破坏形态、承载力和应变分布特征,厘定支护结构承载能力的影响因素,揭示支护结构失稳破坏机理;开展支护结构数值试验,获得足尺模型试验中难以监测的轴力、弯矩等参数。结果表明:支护结构在管片接头和跨中首先出现局部失稳,进而导致结构整体失稳;侧压系数λ=1.0和1.5时,支护结构极限承载力分别为3 972.2和2 763.2 kN;随侧压系数提高,支护结构承载力呈指数型下降,结构变形破坏也更为明显;足尺模型试验中支护结构极限承载力略小于数值试验,足尺模型试验和数值试验结果一致性较好;均载试验中,支护结构接头处轴力较大,接头和管片跨中处弯矩较大,弯矩均为正值,而非均载试验中,支护结构轴力略有降低,弯矩值正负皆有,且弯矩值高于均载试验值。

基于数值仿真的复杂岩体TBM掘进性能评估模型

为了评估全断面隧道掘进机(TBM)在复杂岩体环境中的掘进性能,本文提出了基于数值仿真的全断面TBM掘进预测模型。首先,采用4D-LSM和DDA耦合模型数值重现工程尺度完整岩体和节理岩体的TBM掘进测试过程,分析全断面TBM掘进过程中刀盘的力学响应和岩体的破坏特征;其次,研究节理间距、节理方向、岩体单轴抗压强度以及脆性指数对可钻性指数的影响;最后,引入单神经元对数值仿真预测模型进行修正,并与岩体特征模型进行对比分析,验证基于数值仿真的全断面TBM掘进性能预测模型的适用性。研究结果表明:TBM在低强度、高脆性以及节理发育的岩体中掘进效率更高,当节理面与TBM掘进方向之间的夹角为60°~75°时,最有利于TBM的运行。基于数值仿真的TBM掘进性能预测模型提供了一种经济、灵活的可用于评估复杂环境中TBM施工性能的方法。

滚刀-高移速水射流耦合切削极硬花岗岩试验与模拟研究

目前,全断面隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀与高压水射流耦合破岩研究中,水射流切槽大多由低移速水射流切割而成,这与实际情况下耦合在TBM刀盘上的高移速水射流所制备的切槽不同,进而影响滚刀-水射流耦合破岩结果的可靠性。针对上述问题,采用2种喷嘴直径(0.5 mm和0.7 mm)、3种移速(1.8,2.4和3.0 m/s)的高移速水射流,耦合小尺度TBM滚刀(刃宽为2.3 mm和直径为43.2 mm),对极硬花岗岩进行切削试验,研究不同切削模式下的岩石破碎效果、滚刀法向力以及破岩比能的变化规律,同时开展全尺度滚刀与高移速水射流切槽耦合破岩的数值模拟,作为小尺度破岩试验的补充。研究结果表明:高移速水射流切槽的底长和高度随喷嘴直径的增大而增大,随喷嘴移速的增大而减小;在共轨破岩试验中,小滚刀下方岩石被高移速水射流部分移除,导致破岩载荷和破岩效率降低;在错轨破岩试验中,当小滚刀与水射流切槽间距大于15 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果趋于消失,当间距为12 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果最显著,破岩比能比纯滚刀切削降低68%;由于高移速水射流切槽小、滚刀刃宽大,导致切槽对滚刀破岩的辅助效果很小。为提升高移速水射流辅助TBM滚刀破岩效果,建议提升水射流的切割能力从而提升切槽深度,适当减小滚刀刃宽从而提升滚刀贯入岩石的能力,适当减小滚刀与切槽间距从而发挥切槽临空辅助破岩作用。

煤矿巷道类矩形全断面掘进机切割机构设计及仿真分析

为解决我国煤矿巷道领域类矩形隧道全断面一次掘进成型及快速掘进难题,针对宽6 m、高4.2 m的类矩形隧道,开展全断面掘进机切割机构研究。通过分析多种隧道成型技术方案特点,确定了一种由左右三臂刀盘和上下截割滚筒组成的切割机构技术方案;结合煤矿巷道实际需求,设计了类矩形隧道成型形状;开发设计了刀盘、截割滚筒结构,进行了截齿选用、布置;采用Solid-Works软件分别建立了三臂刀盘和截割滚筒三维模型,利用ANSYS软件分别对三臂刀盘和截割滚筒做了模态分析和静力学分析。结果表明:1)采用圆形刀盘与截割滚筒组合式切割机构,能够实现全断面类矩形隧道的掘进成型;2)切割机构能够满足强度及刚度的要求且不会发生共振现象;3)实际煤矿巷道掘进应用表明,切割机构具有较高的掘进效率,在煤矿巷道类矩形隧道领域具有较好的应用前景。

喷封压一体化工具研制及应用

水平井多级分段压裂已经成为致密气藏储层改造的主要方式,常规水平井多级分段压裂技术手段由于存在分段受限、施工不连续、作业时间长等局限,制约了致密气藏低成本高效开发。为此,设计了一种分段不受限、施工连续且作业时间短的喷封压一体化工具:采用机械式不限级设计,可以实现作业管柱无级全通径,便捷实施气藏开采管理;采用喷封联动机构设计,使封隔动作和喷砂射孔无缝连接,缩短了作业时间;压裂装置采用压差开启设计,使施工过程操作方便,安全可靠且有效提高了作业效率。现场应用表明,喷封压一体化工具具有良好的喷砂射孔性能和稳定的密封性能,压裂滑套开启压力精准,施工转层快速,作业效率高,可满足致密气藏经济高效开发需求,具有较好的推广价值。

全断面隧道掘进机智能制造与运维发展现状及趋势

分析全断面隧道掘进机行业存在的难题、挑战与智能化发展的意义,重点论述全断面隧道掘进机行业智能制造、智能运行、智能维护、智能安装与机器人应用等技术的研究与发展现状。提出全断面隧道掘进机智能化制造和智能化运行维护技术的发展方向:1)亟待建立装备制造与运维数据共享机制;2)亟待突破多源异构数据采集智能终端开发与多层制造生产协同等关键技术;3)研发机制-数据混合驱动的云边端分布式智能运维系统,推动隧道工程智能建造的进程;4)逐步跨域构建“以用户为中心”的制造/运维价值网服务平台,实现全断面隧道掘进机制造/运维产业转型升级。

上排渣式全断面竖井掘进机凿井技术与应用

为验证全断面竖井掘进机凿井技术的可靠性,依托宁海抽水蓄能排风竖井工程,解析上排渣式全断面竖井掘进机上排渣系统、开挖系统、姿态调整系统及井下动态实时监控系统等关键系统的设计及应用。应用表明:1)在井壁上布置环向导水槽和优化掘进排渣参数,保证了竖井掘进机在凝灰岩含水地层的顺利通过;2)采用前装刀设计满足使用要求,通过刀盘支地系统和刀具更换工装,实现了竖井掘进机前装刀的安全更换;3)采用竖井掘进机独特的姿态调整方法,满足了井筒掘进的精度要求;4)基于渣土称重和热成像原理,解决了粉尘环境下吊桶装渣的可视化作业;5)采用基于UWB技术的竖井掘进机分层平面定位系统,实现了竖井作业区域内人员的实时定位。

终端塔基灌注桩施工对邻近隧道结构影响研究

全回转套管钻孔灌注桩作为一种环境友好型桩基施工方式,因其成桩质量较高、施工速度快、地层扰动较小、环境污染程度低的特点,在城市地下工程建造中尤其在临近既有隧道、基坑工程中运用广泛。依托采用全回转套管钻孔灌注成桩的合肥市某终端塔基小净距上跨地铁隧道工程,在对钢套管旋压施工过程影响隧道变形开展理论分析的基础上,模拟分析了桩长、桩径、桩-隧相对水平位置、钢套管跟进深度等对邻近地铁隧道变形的影响,研究单参数变化条件下电缆终端塔塔基施工引起的隧道结构变形规律。结果表明:增加桩长会加剧邻近隧道的竖向变形,在满足桩基承载力的基础上应尽量减少桩长,对于隧道水平位移控制严格的区段,应尽可能避免桩长与隧道埋深比为1的情况;桩径因素对邻近隧道位移的影响非常大;隧道总位移值与桩-隧净距负相关,扩大桩-隧间距是控制隧道变形的最佳措施;钢套管逐节旋压取土的施工方法,对周围土体扰动影响程度较小,尤其可以减少邻近隧道的水平变形,应避免采用半套管成孔工艺,以规避套管以下部分土体钻孔施工对周围地层造成二次扰动。

全断面竖井掘进机大直径锥形刀盘模态研究与优化

以前期研发的全断面竖井掘进机为对象,结合竖井垂直开挖的施工特点,充分考虑刀盘动力学特性,对大直径锥形刀盘进行模态分析并根据分析结果对刀盘结构优化,为大直径锥形刀盘结构优化设计和改进提供理论依据。结果表明:通过自由模态分析可以很好地验证刀盘各零部件连接的正确性;通过约束模态分析,发现刀盘在4阶振型,即固有频率为32.736 Hz和32.308 Hz时共振最严重;根据约束模态分析结果,对所设计的刀盘进行优化提升刚度,使同一阶振型下振动变形面积明显减少,变形区域主要集中在强度较高的上圈梁处,对保证刀盘整体结构强度、减少振动变形具有重要意义。

基于脉冲涡流的TBM盘形滚刀磨损检测方法

为保障TBM高效安全运行,提出一种脉冲涡流检测(PECT)的刀圈径向磨损量无损检测方法。先基于Maxwell时变电磁场理论建立有限元模型,采用控制变量法探究线圈高度、内半径和外半径3个激励线圈参数的优化策略;再搭建刀圈径向梯度化磨损量无损检测有限元模型,研究刀圈径向磨损量与前期电压信号积分值的映射关系,提取可连续反映刀圈磨损程度的特征量,并研究不同提离距离下刀圈径向磨损量与特征量的映射关系。结果表明:在给定激励线圈外半径取值的前提下合理调节内半径取值,可最大程度兼顾对激励线圈高分辨率、强耦合程度的要求;检测线圈与刀圈的最远距离为64 mm,在满足48.26 cm刀圈最大径向磨损量为35 mm的基础上保留了29 mm余量,比传统涡流检测的最远提离距离提高了83%;该方法提高了探头远距离检测能力,保障了探头安装空间,同时显著降低了探头被岩碴刮擦损伤的风险。

旋挖钻全护筒护壁施工技术在流砂层中的应用

根据青岛市双元路拓宽项目桩基施工的具体实例,介绍了旋挖钻全护筒护壁施工技术。该工程采用直径1000 mm、长度约14 m的钢护筒,在液压振动锤作用下,一次性将护筒打入含流砂的复杂地层,旋挖钻机取土成孔,成功解决了钻孔桩穿越流砂层的难题。