Rock breaking performance of the newly proposed unsubmerged cavitating abrasive waterjet

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.

Comparative Study of the Rock-breaking Mechanism of a Disc Cutter and Wedge Tooth Cutter by Discrete Element Modelling

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.

The rock breaking and ROP increase mechanisms for single-tooth torsional impact cutting using DEM

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.

Factor analysis and numerical simulation of rock breaking efficiency of TBM deep rock mass based on orthogonal design

This study investigates the factors affecting the rock-breaking efficiency of the TBM disc cutter in deep rock excavation,including confining pressure,penetration,cutter spacing,and revolution speed.The finite element method is employed to formulate a rock-breaking model of the rotary disc cutters and a numerical simulation is also implemented.The rock breaking effect,rock breaking volume,and rock breaking specific energy consumption under different combinations of the factors are investigated.An orthogonal test of four factors at four levels was constructed.Based on the test results and range analysis in the process of deep rock mass breaking,the order of sensitivity of each influencing factor with respect to the rock breaking specific energy for the disc cutter is cutter spacing>revolution speed>penetration>confining pressure.By constructing a numerical simulation comparison scheme,the orthogonal test results are analyzed and corroborated,and the rock breaking law and rock breaking efficiency under different influencing factors are derived.Finally,the sensitivity of different influencing factors on the rock-breaking efficiency is verified.

异形齿切削破碎页岩的试验与数值模拟研究

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。

激光照射岩石热裂特性与裂隙分布研究

激光辅助破岩是一种非接触式破岩技术,破岩效果主要受激光功率、照射时间和离焦距离等参数影响。选择石灰岩、砂岩和花岗岩3类岩石,开展了不同照射参数的破岩试验,分析了温度、射孔参数、比能、热裂效能、裂隙分布、矿物组分和微观结构等变化规律。结果表明,激光照射下3类岩石表面温度均超过2000℃、温度梯度最高可达1500℃/mm,相同位置处花岗岩表面温度和温度梯度最高、砂岩次之、石灰岩最低;3类岩石射孔直径、射孔深度和射孔速率均与照射参数密切相关,砂岩、石灰岩和花岗岩最大射孔速率分别为3.18,2.68,0.8 mm/s。相同照射参数下,比能较热裂效能高1~2个数量级,3类岩石比能排序为:花岗岩>石灰岩>砂岩。照射后岩样均存在数条主裂隙,沿径向延伸至试样边缘,石灰岩和花岗岩次生裂隙发育,砂岩未发现明显次生裂隙。照射后岩石矿物衍射强度和微观结构发生显著改变。

不同攻击角下镐型截齿线性切削破岩特性

深入探讨不同攻击角下镐型截齿线性切削破岩特性,以期优化截齿参数设计,提升破岩效率,降低能耗。构建镐型截齿破岩MatDEM数值模型,开展不同攻击角下线性切削破岩数值模拟,获得截齿力、裂纹扩展模式以及破岩效率等关键参数。结果显示,截齿平均切削力、法向力均表现出随着截齿攻击角度增加而增大;岩石破坏模式随着截齿攻击角的增加由张拉破坏为主转变为压剪破坏为主;在切削深度为12 mm时,岩石破碎效率的最优攻角为40°,在切削深度为15 mm时,岩石破碎效率的最优攻角在55°~60°。不同的攻击角会导致截齿与岩石之间产生不同的破坏模式,进而影响破岩过程中的能量转换与效率。本文研究结论可为镐型截齿的结构参数优化设计提供参考依据,提高悬臂式掘进机的采掘效率。

理论模型与机器学习融合的PDC钻头钻速预测方法

为了提高PDC钻头机械钻速的预测精度,为现场工程人员指导钻井生产提供依据,基于Teale模型,综合考虑井下螺杆钻具、水力破岩、旋转冲击钻具破岩能量参数,引入PDC门限钻压和门限扭矩,修正钻压与扭矩的计算方法,建立复合比能械钻速理论方程;基于钻速比概念,建立了理论与数据深度融合的机械钻速预测模型。验证结果表明,该模型既保证了理论方向的正确,又综合利用了数据驱动学习的优点,提高了PDC钻头的机械钻速预测精度。通过顺北实钻井数据验证该融合方法的预测精度,结合实例优化分析可大幅提高机械钻速。该方法可为优化钻井参数和评价钻头破岩效果、优选提速工具提供有效的量化工具,具有重要的推广应用价值。

TBM滚刀破岩动态特性与最优刀间距研究

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。

高温高压条件下花岗岩切削破碎试验研究

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。

节理岩体下TBM单刃和双刃滚刀破岩特性研究

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。

不同贯入度对掘进机滚刀破岩效率的影响

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。

动静组合载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究

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。

高压水射流破岩比能演化机理研究

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型,在对高压水射流破岩过程模拟分析的基础上,进行了射流破岩比能演化机理的研究。研究结果表明,在脉冲射流载荷的衰减阶段,由于岩石卸载的阻力较小,卸载过程中所释放的能量利用较为充分,使得脉冲射流的破岩比能明显小于连续射流;因为旋转射流的每一质点均具有三维速度,易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏。且回流的干扰较少,提高了射流的能量利用率,使得破岩比能也明显低于连续射流,且随着切向速度与轴向速度比值的增大,旋转射流破岩比能逐渐减小。

盾构切刀切削软岩特性研究

文章在对盾构切刀切削软岩动态过程进行合理简化的基础上,从软岩细观角度出发,采用颗粒离散元法建立了切刀切削软岩的二维数值模型,对切刀切削动态过程进行了分析,并研究了切刀前角、切深以及节理对切刀切削特性的影响。研究结果表明:切刀切削软岩是一个先挤压后张拉的过程,切刀着力点随切削行程的改变由刀尖逐渐向刀前刃上方转移,然后再回到刀尖,与切削力变化规律一致;破碎块随切刀前角和切深的增加呈增大趋势;比能耗随切刀前角和切深的增加呈减小趋势;节理倾角不同切刀破岩呈不同破坏方式,节理倾角小于90°时,更容易形成破碎块,破岩效率较高;节理倾角大于或等于90°时,不能很好利用节理促使破碎块的形成,破岩效率较低。通过试验验证了破碎块以及切刀受力过程与数值模拟具有较好的一致性。

冲击作用下岩石破碎的动力学特性及能耗特征研究

为了研究冲击钻井中岩石破碎的难易程度及动态破碎规律,基于固有缺陷的损伤原理,建立了岩石动态破裂强度、破碎时间和破碎能耗的理论模型,通过砂岩的霍普金森压杆冲击压缩试验分析了其破坏强度、破坏时间及破坏过程中的能量耗散特征。分析研究发现,试验结果与模型计算结果基本吻合,砂岩的动载强度、破碎时间和破碎能耗均与应变率之间呈幂函数关系,随着应变率在60~115s^(-1)范围内增加,砂岩的动载强度与静载强度相比增大了1.33~1.83倍,破碎时间从84μs迅速缩短至52μs,且应变率越大,岩石破坏后的碎块尺度越小、破碎能耗值越大。研究结果可为衡量岩石动力破碎的难易程度及提高冲击破岩效率提供参考。

基于破岩比能的刀盘滚刀优化布置设计

基于科罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines)推导的CSM受力模型,采用刀盘破岩比能最低原则,以径向不平衡力和倾覆力矩最小为目标,使用标准遗传算法(GA),优化中心刀、正刀和边缘滚刀的刀间距,以及正刀和边缘滚刀的极角.以TB880E刀盘为实例计算,结果表明:优化中心刀和正刀区域的刀间距后,比能减少1.53%,优化边缘滚刀区域的刀间倾角后,比能减少了1.10%;优化正刀和边缘滚刀的极角后,径向不平衡力减少到0.126 5 N,倾覆力矩减少到0.759 1 N·m,从而减小了刀盘的变形量.该研究可用于刀盘的布刀优化设计和对破岩过程能耗的预测,可降低TBM破岩能耗,改善TBM掘进能力.

破碎后微小煤颗粒分布与破碎功关系实验研究

对突出/非突出原煤在不同条件下进行破碎实验,将碎煤分筛后分析粒级分布规律及比表面积与破碎比功之间关系。实验表明：〈0.075 mm煤颗粒所占质量比不多,却占有相当大的表面积;突出煤〈0.075 mm颗粒筛上质量分布服从Gauss分布而非突出煤服从正态分布;在相同块度前提下,比表面积随能量增加而增加;当时间相同能量时,突出煤的比表面积是非突出煤的1-2倍;新增表面积随能量增加呈指数增长,增加的速率却随能量增加而减小。揭示煤材料破碎后粒径分布规律与破碎功之间关系,为煤瓦斯突出过程中能量耗散分析提供实验依据。

基于机械比能与滑动摩擦系数的PDC钻头破岩效率试验

为探究机械比能理论指导下PDC钻头破岩效率的影响因素,通过简化钻头与地层相互作用模型并推导滑动摩擦系数,结合室内试验分析各因素对钻头滑动摩擦系数的影响。结果表明:钻压通过切削齿的吃入深度影响摩擦系数,当切削齿完全吃入地层所产生的摩擦系数最大;钻速过快导致的岩屑过多且无法有效移除时摩擦系数会减小;转速增加会使摩擦系数减小;不同类型的岩样其最终稳定的摩擦系数不同,但一般在0.4~0.6;钻头直径不会影响摩擦系数最终稳定值;钻进软至中硬地层时,应选取尽量大的钻压和转速,即使较大钻压和转速对于提升破岩效率并无裨益,但却会明显提升机械钻速,此时机械比能增加并不明显,说明钻头能量利用率保持在一个稳定的阶段;钻进较硬地层时,提升钻压、转速水平会明显提高机械钻速,增大机械比能,降低破岩效率,钻头机械能量利用率下降,此时钻进参数的选取就需要综合钻速、机械比能、破岩效率等因素判定。

空气锤钻井机械比能计算方法

空气锤钻井是目前硬质岩层钻井提速提效的重要工艺,为了实时评价空气锤钻头的工作效率,提高钻井施工可控性,对空气锤钻井机械比能计算方法进行了研究。基于前人提出的机械比能相关理论,分析了空气锤钻头机械结构和钻进机理,引入冲击效率和冲击速度等参数修正完善机械比能计算模型,并提出能量传递效率ηtr,辅助分析空气锤钻井效率。根据以上理论模型,研制了空气锤钻井机械比能计算软件,可综合利用钻井参数、岩石力学参数、机械比能、能量传递效率等多种连续曲线剖面科学评估空气锤钻头的钻井效率,并采用元坝区域的钻井数据进行验证。结果表明,该计算方法得到的空气锤机械比能和能量传递效率对钻井效率的评价基本与现场实际情况相符,本文所研究的方法对评价空气锤钻井效率、优化钻井参数和钻后分析具有重要意义。