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Rock breaking performance of the newly proposed unsubmerged cavitating abrasive waterjet
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作者 Chenxing Fan Haitao Zhang +2 位作者 Yong Kang Hanqing Shi Deng Li 《International Journal of Mining Science and Technology》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第7期843-853,共11页
To improve the rock breaking ability, cavitating waterjet and abrasive waterjet are combined by using a coaxial low-speed waterjet generated around the periphery of a high-speed abrasive waterjet, and a new type of wa... To improve the rock breaking ability, cavitating waterjet and abrasive waterjet are combined by using a coaxial low-speed waterjet generated around the periphery of a high-speed abrasive waterjet, and a new type of waterjet called unsubmerged cavitating abrasive waterjet(UCAWJ) is thus produced. The rock breaking performance of UCAWJ was compared with submerged cavitating abrasive waterjet(SCAWJ)and unsubmerged abrasive waterjet(UAWJ) by impinging sandstone specimens. Moreover, the effects of jet pressure, standoff distance, abrasive flow rate and concentration were studied by evaluating the specific energy consumption, and the area, depth, and mass loss of the eroded specimen. The results show that the artificially generated submerged environment in UCAWJ is able to enhance the rock breaking performance under the same operating parameters. Furthermore, the rock breaking performance of UCAWJ is much better at higher jet pressures and smaller standoff distances when compared with UAWJ. The greatest rock breaking ability of UCAWJ appears at jet pressure of 50 MPa and standoff distance of 32 mm, with the mass loss of sandstone increased by 370.6% and the energy dissipation decreased by 75.8%. In addition, under the experimental conditions the optimal abrasive flow rate and concentration are 76.5 m L/min and 3%, respectively. 展开更多
关键词 rock breaking Abrasive waterjet Unsubmerged cavitation EROSION specific energy consumption
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Comparative Study of the Rock-breaking Mechanism of a Disc Cutter and Wedge Tooth Cutter by Discrete Element Modelling
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作者 Hua Jiang Huiyan Zhao +2 位作者 Xiaoyan Zhang Yusheng Jiang Yaofu Zheng 《Chinese Journal of Mechanical Engineering》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第3期269-285,共17页
The operation of a shield tunnel boring machine(TBM)in a high-strength hard rock stratum results in significant cutter damage,adversely affecting the thrust and torque of the cutter head.Therefore,it is very important... The operation of a shield tunnel boring machine(TBM)in a high-strength hard rock stratum results in significant cutter damage,adversely affecting the thrust and torque of the cutter head.Therefore,it is very important to carry out the research on the stress characteristics and optimize the cutter parameters of cutters break high-strength hard rock.In this paper,the rock-breaking performance of cutters in an andesite stratum in the tunnel of Qingdao Metro Line No.8 was investigated using the discrete element method and theoretical analysis.The rock-breaking processes of a disc cutter and wedge tooth cutter were simulated by software particle flow code PFC^(3D),and the rock-breaking degree,stress of the cutter,and rock-breaking specific energy were analyzed.The rock damage caused by the cutter in a specific section was divided into three stages:the advanced influence,crushing,and stabilizing stages.The rock-breaking degree and the tangential and normal forces of the wedge tooth cutter are larger than that of the disc cutter under the same conditions.The disc cutter(wedge tooth cutter)has the highest rock-breaking efficiency at a cutter spacing of 100 mm(110 mm)and a penetration depth of 8 mm(10 mm),and the rock-breaking specific energy is 11.48 MJ/m^(3)(12.05 MJ/m^(3)).Therefore,two types of cutters with different penetration depths or cutter spacing should be considered.The number of teeth of wedge tooth cutters can be increased in hard strata to improve the rock-breaking efficiency of the shield.The research results provide a reference for shield cutterhead selection and cutter layout in similar projects. 展开更多
关键词 Qingdao andesite rock breaking with cutter Wedge tooth cutter specific energy PFC^(3D)
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The rock breaking and ROP increase mechanisms for single-tooth torsional impact cutting using DEM 被引量:9
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作者 Xiao-Hua Zhu Yun-Xu Luo Wei-ji Liu 《Petroleum Science》 SCIE CAS CSCD 2019年第5期1134-1147,共14页
Torsional impact drilling is a new technology which has the advantages of high rock-breaking efficiency and a high rate of penetration(ROP).So far,there is no in-depth understanding of the rock-breaking mechanism for ... Torsional impact drilling is a new technology which has the advantages of high rock-breaking efficiency and a high rate of penetration(ROP).So far,there is no in-depth understanding of the rock-breaking mechanism for the ROP increase from torsional impact tools.Therefore,it has practical engineering significance to study the rock-breaking mechanism of torsional impact.In this paper,discrete element method(DEM)software(PFC2 D)is used to compare granite breaking under the steady and torsional impacting conditions.Meanwhile,the energy consumption to break rock,microscopic crushing process and chip characteristics as well as the relationship among these three factors for granite under different impacting frequencies and amplitudes are discussed.It is found that the average cutting force is smaller in the case of torsional impact cutting(TIC)than that in the case of steady loading.The mechanical specific energy(MSE)and the ratio of brittle energy consumption to total energy are negatively correlated;rock-breaking efficiency is related to the mode of action between the cutting tooth and rock.Furthermore,the ROP increase mechanism of torsional impact drilling technology is that the ratio of brittle energy consumption under the TIC condition is larger than that under a steady load;the degree of repeated fragmentation of rock chips under the TIC condition is lower than that under the steady load,and the TIC load promotes the formation of a transverse cracking network near the free surface and inhibits the formation of a deep longitudinal cracking network. 展开更多
关键词 Torsional impact rock breaking Mechanical specific energy Fractal dimension MICROCRACK DEM
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异形齿切削破碎页岩的试验与数值模拟研究
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作者 温博 张春亮 +2 位作者 吴昊 任海涛 杨迎新 《石油机械》 北大核心 2024年第1期11-19,共9页
针对PDC钻头在页岩气钻井中破岩效率低和寿命短的问题,开展异形齿切削破碎页岩机理研究。选用凹面齿、斧形齿、三棱齿等典型异形齿开展切削页岩过程、切削载荷的试验研究,利用数值模拟分析异形齿切削过程中岩石的损伤特性。试验结果表明... 针对PDC钻头在页岩气钻井中破岩效率低和寿命短的问题,开展异形齿切削破碎页岩机理研究。选用凹面齿、斧形齿、三棱齿等典型异形齿开展切削页岩过程、切削载荷的试验研究,利用数值模拟分析异形齿切削过程中岩石的损伤特性。试验结果表明:切削齿切削页岩过程中,出现了镜面和“卷屑”等硬塑性特征;凹面齿切削载荷和破岩比功小于其他齿型;平面齿和三棱齿随着前倾角的增加,切削载荷呈增大趋势;凹面齿和斧形齿对前倾角的变化不敏感,且凹面齿在前倾角为10°时破岩效果最好;在相同条件下,4种齿型中凹面齿形成的岩屑最大,利于破岩效率的提高。模拟结果表明:切削过程中凹面齿以“铲削”的方式破碎岩石,三棱齿和斧形齿的棱脊对岩石产生明显的挤压效果;三棱齿沿着棱脊将岩屑一分为二向两侧排出,而斧形齿在块体岩屑的中间部分形成了明显的塑性变形。研究结果可为页岩气钻井提速增效提供基础支撑。 展开更多
关键词 PDC钻头 异形齿 破岩 效率 载荷 能耗 岩屑
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基于节理岩石的双刃滚刀贯入度和进给速度优化 被引量:1
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作者 郝用兴 沈亚军 《工具技术》 北大核心 2023年第4期83-87,共5页
为研究双刃滚刀对节理岩石的适用性,采用ABAQUS仿真软件对其破岩过程进行研究仿真。仿真过程中采用修正的Drucker-Prager岩石模型,研究双刃滚刀切入节理岩石的贯入度和进给速度等参数对切削过程中破岩效率的影响,通过岩石的破损量、最... 为研究双刃滚刀对节理岩石的适用性,采用ABAQUS仿真软件对其破岩过程进行研究仿真。仿真过程中采用修正的Drucker-Prager岩石模型,研究双刃滚刀切入节理岩石的贯入度和进给速度等参数对切削过程中破岩效率的影响,通过岩石的破损量、最大塑性变形及破岩的比能耗等分析破岩结果。本文采用的岩石与节理的模型参数为节理间距70mm,节理厚度10mm,节理倾角为45°。研究结果表明:节理处破损情况较岩石更明显,最佳贯入度为12.5mm,最佳进给速度为250mm/s。该研究结果可以对节理岩石盾构施工中刀盘的转速和刀具侵入岩石深度参数设置提供参考。 展开更多
关键词 双刃滚刀 节理岩石 贯入度 进给速度 比能耗
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考虑破岩模式的TBM滚刀破岩力计算模型 被引量:3
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作者 曹久磊 俞缙 +3 位作者 张竹清 冯学卫 常方强 蔡燕燕 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第8期3300-3311,共12页
滚刀破岩力是研究TBM开挖硬岩隧道效率和安全性的核心参数,提高破岩力计算模型精度的重点在于如何使计算模型与破岩模式相匹配。通过对滚刀破岩过程中不同破岩模式下的裂纹交汇情况及岩片产生的主导因素进行分析,认为协同破岩时岩石主... 滚刀破岩力是研究TBM开挖硬岩隧道效率和安全性的核心参数,提高破岩力计算模型精度的重点在于如何使计算模型与破岩模式相匹配。通过对滚刀破岩过程中不同破岩模式下的裂纹交汇情况及岩片产生的主导因素进行分析,认为协同破岩时岩石主要发生压拉破坏,非协同破岩时主要发生压剪破坏,基于此提出了一种新的刀具荷载计算方法;建立单滚刀及双滚刀线性破岩三维离散元模型,统计不同贯入度下的侧向裂纹扩展长度,以此为基础计算各刀间距和贯入度组合下的理论破岩模式,并通过分析各工况下岩石内部裂纹交汇及其水平应力分布情况,验证了破岩模式划分理论的正确性;以岩石内部裂纹分布特征为基础,提出了协同和非协同破岩模式下破碎岩片体积的计算方法,利用指数函数对岩渣破碎厚度比和刀间距之间的关系进行拟合,定义了协同系数β,并结合新破岩力公式推导出了比能耗表达式。研究发现:由新破岩力模型计算得到的垂直力和滚动力相较于实测值的误差分别为7.3%和11.0%,其相比于CSM和线性计算模型的误差较小;岩石破碎区域取决于破岩模式,协同模式下的破碎区域主要为滚刀之间,非协同模式下为刀刃下方及其两侧;随刀间距增大,岩石内高应力区逐渐分离并出现上移现象且面积下降,最优贯入度增大而最小比能耗值减小,当贯入度增大时,比能耗值先减小后增大,同时比能耗曲线变化趋势和相关破岩试验结果具有一致性。 展开更多
关键词 破岩力计算模型 破岩模式 比能耗 颗粒离散元 盘形滚刀
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新型非平面齿破岩规律研究 被引量:1
7
作者 刘畅 杨迎新 +1 位作者 姚建林 黄奎林 《地下空间与工程学报》 CSCD 北大核心 2023年第2期428-436,455,共10页
为了提高聚晶金刚石复合片(PDC)切削齿的破岩性能,设计了一种新型非平面齿,建立了该齿的破岩仿真模型,研究了新型非平面齿的脊长、脊倾角、斜角、切削深度和前倾角对其破岩规律的影响,结果表明:新型非平面齿的内切削刃使岩石产生体积破... 为了提高聚晶金刚石复合片(PDC)切削齿的破岩性能,设计了一种新型非平面齿,建立了该齿的破岩仿真模型,研究了新型非平面齿的脊长、脊倾角、斜角、切削深度和前倾角对其破岩规律的影响,结果表明:新型非平面齿的内切削刃使岩石产生体积破碎,其破岩效率高于屋脊齿;新型非平面齿的破岩比功和切削力随着脊长的增加呈现出先增大后趋近不变的趋势;新型非平面齿的切削力和破岩比功随脊倾角的增大而增大;新型非平面齿的破岩比功和切削力随斜角的增大而减小,考虑到齿刃的寿命,斜角应取10°~20°;新型非平面齿的破岩比功随吃入深度的增大而减小,最优吃入深度应大于其脊长;新型非平面齿的切向力和破岩比功随前倾角的增大呈现先减小后增大的趋势,最优前倾角是15°。 展开更多
关键词 新型非平面齿 破岩比功 破岩效率 吃入深度
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PDC切削齿直径对切削力的影响规律研究 被引量:3
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作者 未九森 邵方源 +2 位作者 谭紫阳 刘维 高德利 《石油机械》 北大核心 2023年第4期8-15,共8页
针对不同地层岩性特点,需进行个性化PDC钻头设计,其中PDC切削齿的直径是重要的钻头优化设计参数之一。为了探究不同PDC切削齿直径对破岩切削力的影响,通过室内模拟试验方法进行研究。试验所用岩样为石灰岩。单齿破岩试验选取了ø13... 针对不同地层岩性特点,需进行个性化PDC钻头设计,其中PDC切削齿的直径是重要的钻头优化设计参数之一。为了探究不同PDC切削齿直径对破岩切削力的影响,通过室内模拟试验方法进行研究。试验所用岩样为石灰岩。单齿破岩试验选取了ø13.44、ø15.88、ø19.05、ø21.95 mm的常规圆柱状PDC切削齿和3个不同的切削深度作为试验变量,使用三轴力传感器记录了切削力数据并收集了岩屑,对比了不同试验条件下单齿破岩过程的机械比能和不同直径切削齿的攻击性;使用水平钻机进行了全尺寸钻头破岩试验,对比了3种不同PDC切削齿直径的钻头在3 mm左右吃入深度下的破岩机械比能。试验结果显示:PDC切削齿的破岩切削力并不随着直径的增大而增大;在相同吃入深度下,ø19.05 mm齿的破岩效果最好;随着吃入深度的增加,切削岩石所需要的力变大。全尺寸钻头破岩试验结果表明,ø19.05 mm齿的全尺寸钻头机械比能最低。分析认为,在破岩过程中,PDC切削齿直径会改变岩石内部产生的应力区域,影响PDC切削齿的破岩效果。选取与岩性匹配的PDC切削齿直径能够取得最优的破岩钻进效果。研究结果可为PDC钻头优化设计提供部分理论指导。 展开更多
关键词 PDC钻头 破岩效率 切削力 机械比能 单齿破岩 全尺寸钻头破岩
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锥形PDC齿和常规PDC齿混合切削破岩试验研究 被引量:4
9
作者 张文波 史怀忠 +3 位作者 席传明 张楠 熊超 陈振良 《石油机械》 北大核心 2023年第3期33-39,共7页
混合布齿PDC钻头在油田现场取得了较好的提速和进尺效果,但其设计过多依赖于设计者的经验,缺乏理论依据和室内试验数据支撑。为了优选锥形PDC齿与常规PDC齿混合布齿参数,进一步提高混合布齿PDC钻头在硬岩地层中的钻进性能,针对花岗岩地... 混合布齿PDC钻头在油田现场取得了较好的提速和进尺效果,但其设计过多依赖于设计者的经验,缺乏理论依据和室内试验数据支撑。为了优选锥形PDC齿与常规PDC齿混合布齿参数,进一步提高混合布齿PDC钻头在硬岩地层中的钻进性能,针对花岗岩地层设计并开展了锥形齿和常规齿混合切削试验,探究了同轨道切削顺序、切削齿高差和异轨道锥形齿间距、切削齿高差对破岩效果的影响规律。研究结果表明:对于同轨道混合切削,采用先锥形齿后常规齿的切削顺序可以使锥形齿和常规齿的破岩效率都达到最佳,获得最佳的整体破岩效果;对于异轨道混合切削,随着锥形齿间距的增加,切削力和破岩比能先减小后增大,而破岩体积先增大后减小;当锥形齿间距为18 mm时,切削力和破岩比能同时达到最小值,分别为4252 N和108 MPa,最优锥形齿间距为18 mm。所得结论可为适用于硬岩地层钻进的混合布齿PDC钻头设计提供指导。 展开更多
关键词 PDC钻头 混合布齿 锥形齿 破岩比能 混合切削 同轨道切削
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TBM滚刀贯入度对破岩效能的影响规律研究
10
作者 冀国栋 付柏毅 +4 位作者 章慧健 耿麒 王立川 王灿林 胡恒千 《铁道科学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第12期4755-4768,共14页
合理设置TBM贯入度参数对于特定地质条件下的掘进效率至关重要。为研究TBM盘型滚刀在不同贯入度下的破岩效果,采用自主研发的滚刀破岩缩尺试验平台,在不同边界条件下对花岗岩开展盘型滚刀线性切割试验,通过使用FEM(finite element meth... 合理设置TBM贯入度参数对于特定地质条件下的掘进效率至关重要。为研究TBM盘型滚刀在不同贯入度下的破岩效果,采用自主研发的滚刀破岩缩尺试验平台,在不同边界条件下对花岗岩开展盘型滚刀线性切割试验,通过使用FEM(finite element method)和SPH(smooth particle hydrodynamics)相耦合的数值模拟方法重现相关试验以验证模型的合理性,并在此基础上建立原尺双滚刀回旋破岩三维数值模型,研究TBM盘型滚刀不同贯入度下对花岗岩的破岩效果。研究结果表明:有侧限条件下滚刀受力和岩碴体积往往更大,且相邻贯入度之间的法向力和岩碴体积增长幅度随着贯入度的增大而减小,但无侧限条件下的破岩效率更高;滚刀破岩过程是阶跃性的,岩碴的产生主要集中在滚刀荷载跌落阶段,无论刀侧是否存在限制,刀下岩石均被碾压至极细的粉末,刀侧岩石崩出,且岩碴的大小与滚刀荷载跌落幅度正相关;刀下岩石破坏区域近似呈“V”形,随着贯入度的增大,滚刀间的“V”形破坏区域持续向安装半径内侧倾斜;滚刀破岩效率随着贯入度的增大先提高后减小,针对试验岩样,最佳贯入度为2~4mm;本研究所采用滚刀破岩缩尺试验与FEM-SPH数值模拟相结合的方法可以很好地重现花岗岩破裂过程,且两者切削力相对误差均在10%以内,可以为后续TBM滚刀破岩研究提供一定参考。 展开更多
关键词 TBM滚刀 滚刀破岩实验 数值模拟 贯入度 比能
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川东北沙溪庙组硬质砂岩地层斧形PDC齿设计及破岩性能
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作者 荣准 张航 +4 位作者 陶垒 马亚超 张琦 颜爽 曾皓 《石油钻采工艺》 CAS 北大核心 2023年第4期455-462,共8页
斧形PDC齿因其独特的齿形结构而具有优越的破岩性能,但对斧形PDC齿破岩性能与其齿刃角优化设计研究尚不明确。建立了切削齿切削与压入破岩结合的岩石破碎综合比能评价方法,利用破岩仿真模型,开展了斧形PDC齿齿刃角优化研究,并对优化后斧... 斧形PDC齿因其独特的齿形结构而具有优越的破岩性能,但对斧形PDC齿破岩性能与其齿刃角优化设计研究尚不明确。建立了切削齿切削与压入破岩结合的岩石破碎综合比能评价方法,利用破岩仿真模型,开展了斧形PDC齿齿刃角优化研究,并对优化后斧形PDC齿进行了破岩性能仿真。研究结果表明,随齿刃角逐渐增大,斧形PDC齿的岩石破碎综合比能呈“N”型变化趋势,齿刃角为130°的斧形PDC齿在硬质砂岩具有优异的破岩性能,其切削力较常规PDC齿降低了35%,切削破岩比能、压入破岩比能和岩石破碎综合比能分别较常规PDC齿降低20%、5.9%和10.5%。室内破岩试验表明斧形齿较常规齿切削破岩比能降低了35.2%,攻入性更强。该研究为川东北沙溪庙组硬质砂岩的个性化PDC钻头设计提供了理论基础。 展开更多
关键词 川东北沙溪庙组 硬质砂岩 破岩工具 斧形PDC齿 齿刃角 破岩比能
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岩屑分形特征对PDC齿破岩性能影响规律研究
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作者 赫文豪 陈振良 +4 位作者 史怀忠 黄中伟 熊超 李欣龙 史明豪 《石油机械》 北大核心 2023年第8期1-10,共10页
随着油气井钻井工程研究的不断深入,岩屑形貌特征已成为评测岩石可钻性级值与钻头破岩效率的关键考量因素之一。为探究岩屑形貌分形特征对钻头破岩效率的影响规律,结合理论建模和室内试验等研究方法,围绕岩屑粒径分形维数、岩屑最大粒... 随着油气井钻井工程研究的不断深入,岩屑形貌特征已成为评测岩石可钻性级值与钻头破岩效率的关键考量因素之一。为探究岩屑形貌分形特征对钻头破岩效率的影响规律,结合理论建模和室内试验等研究方法,围绕岩屑粒径分形维数、岩屑最大粒径、地层岩性系数等关键岩屑形貌描述参数,建立了基于岩屑粒径分形特征的PDC齿破岩比功评估模型,并针对常规齿和锥形齿等PDC齿开展破碎硬质花岗岩试验研究,验证该模型评估PDC齿破岩性能的预测精度。利用该理论模型和试验规律,进一步揭示常规齿和锥形齿等类型PDC齿不同出刃高度、布齿角度等破岩工艺参数下岩屑形貌生成特征及破岩能耗变化规律。研究结果发现:切削深度对PDC齿破岩性能影响效果远大于切削角度,随着地层埋深的增大,PDC齿吃入深度减小,PDC齿生成岩屑分形维数逐渐增大,最大岩屑粒径显著减小,且锥形齿生成岩屑平均粒径大于常规齿;同等钻压或破岩能量条件下,锥形齿脆性破碎能力强于常规齿,生成岩屑分形维数和最大粒径均大于常规齿。研究结果可为深层硬岩钻进过程中岩屑录井形貌数据和PDC钻头混合布齿工艺提供理论依据。 展开更多
关键词 PDC齿 岩屑 分形维数 最大岩屑粒径 破岩比功
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动载作用下页岩动态破碎力学特性及能耗规律
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作者 董广建 白璟 +4 位作者 曹权 李兆丰 付建红 彭炽 陈平 《天然气工业》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第4期157-164,共8页
四川盆地页岩气已成为规模效益开发的重要领域和对象,其中四川盆地南部地区(以下简称川南地区)已成为我国页岩气勘探开发的主战场,2022年产量达223.23×10^(8)m^(3),展示了川南地区页岩气良好的勘探开发潜力。但川南地区页岩气长水... 四川盆地页岩气已成为规模效益开发的重要领域和对象,其中四川盆地南部地区(以下简称川南地区)已成为我国页岩气勘探开发的主战场,2022年产量达223.23×10^(8)m^(3),展示了川南地区页岩气良好的勘探开发潜力。但川南地区页岩气长水平井面临机械钻速慢、钻井周期长等严峻挑战。为了解决页岩气水平井钻井破岩过程中页岩动态破碎特征和能耗规律不清的难题,基于霍普金森压杆测试技术测试了动态破岩的应力波传播过程;采用应力波平衡法,评价了动载荷作用下页岩动力学强度演化特征、破碎能耗响应规律、岩石裂纹动态扩展特性。研究结果表明:①页岩破碎过程中,动态强度和能耗直接影响破碎和提速效果,不同加载应变率和加载模式下页岩强度是动态变化的,动态加载会激活页岩内部更多的微裂纹和穿透裂纹;②随着加载应变率增加,页岩压缩强度和拉伸强度均是先缓慢增加,超过临界应变率时,强度快速增长;③页岩压缩破碎能耗存在临界应变率区间,随着应变率增加,破岩能耗增长缓慢,当超过临界区间,能耗快速增长,页岩拉伸破碎能耗呈对数型增加规律,也存在临界应变率区间;④钻头—岩石互作用过程中过高载荷直接增大接触应变率,造成钻头损伤和接触强度增加,降低破岩效率;⑤高效破岩综合考量指标应包括静态单轴压缩强度、岩石动态强度和能耗。结论认为,研究成果对页岩气水平井提速优化提供了理论支撑,对提高深层页岩地层破岩效率具有重要的指导意义,有助于页岩气的规模效益开发。 展开更多
关键词 钻井工程 长水平井 动态载荷 页岩 破岩效率 动态强度 动态能耗 钻井速度和周期
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高压水射流前方切缝辅助TBM滚刀破岩试验研究 被引量:1
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作者 韩伟锋 《铁道标准设计》 北大核心 2023年第4期130-135,共6页
为提升坚硬岩层TBM滚刀破岩效率,降低滚刀磨损及消耗进而提高TBM整机掘进速度,采用最新研制的高压水射流辅助TBM滚刀破岩试验测试系统,进行坚硬花岗岩水射流先行切割滚刀后行破岩的室内试验,研究同一掌子面相同切深、不同刀间距条件下... 为提升坚硬岩层TBM滚刀破岩效率,降低滚刀磨损及消耗进而提高TBM整机掘进速度,采用最新研制的高压水射流辅助TBM滚刀破岩试验测试系统,进行坚硬花岗岩水射流先行切割滚刀后行破岩的室内试验,研究同一掌子面相同切深、不同刀间距条件下全尺度滚刀的受力规律和破岩特征。结果表明,完整岩石及水射流作用下滚刀的法向力、滚动力和侧向力随刀间距的增加缓慢增加;相比完整岩石,三向力降低幅度分别为19%~41%、10%~34%和16%~59%,破岩体积增加24%~72%,破岩比能降低7%~48%,切割系数升高幅度为6%~17%,且随着刀间距的增加缓慢降低;水射流切缝岩石碎片的尺寸明显增大,但岩粉质量有所降低,岩石破坏多数以张拉破坏为主。 展开更多
关键词 高压水射流切缝 TBM滚刀破岩试验 滚刀三向力 破岩比能 破坏特征
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单向非贯通节理岩体滚刀破岩特性离散元模拟
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作者 陈晓坚 《都市快轨交通》 北大核心 2023年第6期99-107,共9页
相较于贯通节理,岩桥的存在使非贯通节理岩体受力破坏过程更加复杂。为探明其对破岩影响,通过采用PFC2D建立单向非贯通节理岩体滚刀破岩离散元模型,研究岩桥长度和倾角对岩体破碎模式、法向力、裂纹数量及比能耗等参数的影响,揭示非贯... 相较于贯通节理,岩桥的存在使非贯通节理岩体受力破坏过程更加复杂。为探明其对破岩影响,通过采用PFC2D建立单向非贯通节理岩体滚刀破岩离散元模型,研究岩桥长度和倾角对岩体破碎模式、法向力、裂纹数量及比能耗等参数的影响,揭示非贯通节理岩体滚刀破岩特性。研究发现:岩体以张拉破坏为主,节理对裂纹扩展的“导向作用”明显,裂纹扩展方向总是趋向于和其距离最近的节理;竖向应力水平随节理倾角增加呈现先增大后减小的趋势,在45°倾角下达到最大值,应力区形状受到节理位置影响,两者具有一致性;完整岩体法向力均值和峰值均大于节理岩体,节理对于破岩过程具有明显的促进作用;0°、60°、90°节理倾角下的比能耗值明显低于其他节理组合,60°倾角下呈减小趋势,在岩桥长度为25 mm时取得最小值;0°、90°倾角下呈先减小后增大趋势,在岩桥长度为15 mm时取得最小值。 展开更多
关键词 隧道 滚刀 数值计算 非贯通节理 岩桥 破岩 比能耗
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TBM滚刀破岩动态特性与最优刀间距研究 被引量:83
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作者 谭青 易念恩 +3 位作者 夏毅敏 徐孜军 朱逸 宋军华 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第12期2453-2464,共12页
在对实际工况合理简化的基础上,从岩土细观角度出发,采用颗粒离散元法建立滚刀侵入岩体的二维模拟模型,研究双滚刀作用下岩体的动态响应机制,找出滚刀侵入过程中岩体裂纹、贯入度以及切削力三者的关系。在此基础上,通过数值模拟对常见... 在对实际工况合理简化的基础上,从岩土细观角度出发,采用颗粒离散元法建立滚刀侵入岩体的二维模拟模型,研究双滚刀作用下岩体的动态响应机制,找出滚刀侵入过程中岩体裂纹、贯入度以及切削力三者的关系。在此基础上,通过数值模拟对常见切深下滚刀最优刀间距问题进行分析,得到不同切深下比能耗与刀间距的规律,并通过试验对双滚刀破岩过程中岩体动态特性以及最优刀间距问题进行验证,最后以工程实例验证研究结论。研究表明:仿真过程中,切削力随贯入度的变化与岩体的跃进破碎特性相一致,岩体破坏服从格里菲斯理论;较小切深下岩体为剪切破坏,较大切深下岩体发生拉应力破坏;切深为10 mm时比能耗有明显拐点,此时刀间距为100 mm;切深为6 mm时,60 mm刀间距下比能耗最小;切深小于2 mm时,实际工况下岩体不能产生贯穿裂纹。 展开更多
关键词 岩石力学 隧道掘进机滚刀 破岩 比能耗 刀间距 颗粒离散元
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高温高压条件下花岗岩切削破碎试验研究 被引量:17
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作者 赵金昌 万志军 +4 位作者 李义 赵阳升 董付科 冯子军 李根威 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第7期1432-1438,共7页
为了达到最接近实际工程的试验效果,采用中国矿业大学的"20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机",设计了精确的加压和旋转系统,操作控制比较方便,测量数据准确。利用大尺寸(φ200mm×400mm)花岗岩试样和工程钻头(φ30mm的PD... 为了达到最接近实际工程的试验效果,采用中国矿业大学的"20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机",设计了精确的加压和旋转系统,操作控制比较方便,测量数据准确。利用大尺寸(φ200mm×400mm)花岗岩试样和工程钻头(φ30mm的PDC钻头),使试验条件更加接近实际工程情况,开创了该类大试样试验的先河。通过正交试验研究花岗岩在高温高压状态下的切削破碎规律,得出以下结论:(1)高围压状态(100MPa)下,随着温度升高,花岗岩的可切削性逐渐增强,在超过一定的钻压时,切削速度随着温度的升高而明显增大,在755N钻压下,300℃的切削速度比室温时增大30%~50%;(2)高围压状态(100MPa)下,随着温度升高,单位破岩能耗明显降低,在钻压为755N时,300℃时的单位破岩能耗比室温时降低20%~30%;(3)在高温高压环境下,切削速度随着钻压或转速的增大而增大;单位破岩能耗随着转速的增大而增大,随着钻压的增大而减小,与室温无围压状态下的切削破碎规律基本一致;(4)由于花岗岩在此温压范围内属于渐进破坏,抗压强度下降缓慢,如果钻压太低则切削速度和单位破岩能耗受温度影响很小,为了在高温下取得对花岗岩的良好切削效果,钻压需要超过一定的值。 展开更多
关键词 岩石力学 高温高压 切削破岩 单位破岩能耗 钻压
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节理岩体下TBM单刃和双刃滚刀破岩特性研究 被引量:16
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作者 张旭辉 夏毅敏 +3 位作者 谭青 林赉贶 劳同炳 刘杰 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第10期1424-1431,共8页
为了研究在考虑节理地质条件下的两种TBM滚刀破岩规律,采用颗粒离散元法建立不同节理特征下两种滚刀的侵入破岩模型,分析节理岩体下两种滚刀侵入破岩的动态过程、裂纹扩展等规律。研究表明:两种滚刀在侵入节理岩体时,裂纹形成和扩展分... 为了研究在考虑节理地质条件下的两种TBM滚刀破岩规律,采用颗粒离散元法建立不同节理特征下两种滚刀的侵入破岩模型,分析节理岩体下两种滚刀侵入破岩的动态过程、裂纹扩展等规律。研究表明:两种滚刀在侵入节理岩体时,裂纹形成和扩展分为两个典型阶段,两种滚刀在受力以及裂纹数目上存在差异;随节理特征的改变,节理对两种滚刀作用下的裂纹扩展呈引导和阻隔效应,节理间距超过80 mm后,双刃滚刀作用下的裂纹扩展依然受到节理的控制;依据两种滚刀破岩产生的岩碴方式分为常规破岩和节理面协同破岩两种形式;单刃滚刀作用下岩体内部的应力分布随节理倾角变化而偏转,双刃滚刀作用下的应力分布随节理倾角变化影响不大;两种滚刀破岩效率随节理特征改变而改变,当刀间距合适时,双刃滚刀相比单刃滚刀破岩效率要高;双刃滚刀侵入节理岩体存在一个最优刀间距使得破岩效率最高,最优刀间距随节理倾角增加先增大后减小。 展开更多
关键词 隧道掘进机 滚刀 破岩 节理 裂纹 比能耗
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不同贯入度对掘进机滚刀破岩效率的影响 被引量:26
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作者 龚秋明 何冠文 +4 位作者 赵晓豹 张浩 苗崇通 姚羲和 李晓昭 《现代隧道技术》 EI CSCD 北大核心 2016年第1期62-68,共7页
为了研究不同贯入度对破岩效率的影响,应用机械破岩试验平台,安装17英寸(432 mm)的常切面盘形滚刀,选取80 mm的滚刀间距,以0.5 mm为间隔,从0.5~3.5 mm分7个不同级次的贯入度对北山花岗岩进行线性切割试验,试样长×宽×高分别... 为了研究不同贯入度对破岩效率的影响,应用机械破岩试验平台,安装17英寸(432 mm)的常切面盘形滚刀,选取80 mm的滚刀间距,以0.5 mm为间隔,从0.5~3.5 mm分7个不同级次的贯入度对北山花岗岩进行线性切割试验,试样长×宽×高分别为1 000 mm×1 000 mm×600 mm。试验中记录滚刀的三向力并分层收集岩片,从平均法向力、平均滚动力、比能、岩片块度及形状的变化,分析了贯入度对滚刀破岩效率的影响,总结了滚刀在切割试验岩样时贯入度对滚刀力的影响规律。研究结果表明,当贯入度增加到一定的程度后单纯地增加贯入度并不能无限地提高破岩效率。 展开更多
关键词 掘进机 盘形滚刀 贯入度 滚刀破岩试验 滚刀力 比能
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动静组合载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究 被引量:24
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作者 赵伏军 谢世勇 +1 位作者 潘建忠 黄寿元 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第8期1290-1295,共6页
运用ANSYS软件对花岗岩在单一静载、动载和动静组合载荷作用下的破坏过程进行了数值模拟分析。结果表明:静载破岩时岩石中的裂纹扩展范围比冲击破岩时广,形成的破碎角大;冲击载荷破岩时岩石中的裂纹扩展速度比静载时快,形成的破碎角较小... 运用ANSYS软件对花岗岩在单一静载、动载和动静组合载荷作用下的破坏过程进行了数值模拟分析。结果表明:静载破岩时岩石中的裂纹扩展范围比冲击破岩时广,形成的破碎角大;冲击载荷破岩时岩石中的裂纹扩展速度比静载时快,形成的破碎角较小;动静组合载荷破岩时破碎深度和裂纹扩展面积比单一静载或动载时均大,破岩效果优于单一加载模式。在多功能岩石破碎试验装置上对花岗岩分别进行了单一静载、冲击载荷和动静组合载荷破岩试验,进一步表明动静组合载荷破岩在破碎深度、破碎体积和破岩比能方面比静力压入或单一冲击具有明显的优势,能大幅度提高破岩效果。不同的动静组合载荷存在不同的破岩比能,合理选取动静载荷的比值,可使破岩比能最小,破碎效果达到最优。 展开更多
关键词 动静组合载荷 岩石破碎 数值模拟 裂纹扩展 破岩比能
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