旋转水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型模拟了旋转水射流作用下岩石的损伤破坏过程 ,其中岩石损伤场的求解采用解耦的方法。同时还对旋转水射流的破岩机理进行了分析。模拟计算结果与前期的试验结果一致 ,均显示旋转射流具有较强的破岩能力 ,其原因在于旋转射流的质点具有三维速度 ,破岩时以倾斜冲击为主 ,易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏 ,回流的干扰较少 ;破岩过程首先是形成一环形破碎带 ,然后沿径向和轴向发展 ,所形成的破碎坑呈内凸锥状。旋转射流破岩的优势在于破碎面积大、效率高。     

旋转水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型模拟了旋转水射流作用下岩石的损伤破坏过程，其中岩石损伤场的求解采用解耦的方法。同时还对旋转水射流的破岩机理进行了分析。模拟计算结果与前期的试验结果一致，均显示旋转射流具有较强的破岩能力，其原因在于旋转射流的质点具有三维速度，破岩时以倾斜冲击为主，易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏，回流的干扰较少；破岩过程首先是形成一环形破碎带，然后沿径向和轴向发展，所形成的破碎坑呈内凸锥状。旋转射流破岩的优势在于破碎面积大、效率高。     

高压水射流破岩钻孔过程的理论研究

对高压水射流破岩钻孔的试验结果、岩石内孔隙流体的运动规律以及水射流破岩过程中的能量分布变化趋势进行了分析 ,对高压水射流破岩钻孔过程进行了系统的研究。研究结果表明 ,高压水射流破岩钻孔过程分为两个阶段 ,初期以应力波作用为主 ,形成岩石损伤破坏的主体 ;后期以射流准静态压力作用为主 ,主要是使岩石孔眼直径扩大。水射流破岩钻孔过程中射流和岩石的相互作用以界面耦合为主 ,水射流的冲击载荷在岩石内产生的应力波和射流准静态压力共同作用使岩石破碎 ,其中应力波的作用占主导地位。     

高压水射流破岩钻孔过程的理论研究

对高压水射流破岩钻孔的试验结果、岩石内孔隙流体的运动规律以及水射流破岩过程中的能量分布变化趋势进行了分析，对高压水射流破岩钻孔过程进行了系统的研究。研究结果表明，高压水射流破岩钻孔过程分为两个阶段，初期以应力波作用为主，形成岩石损伤破坏的主体；后期以射流准静态压力作用为主，主要是使岩石孔眼直径扩大。水射流破岩钻孔过程中射流和岩石的相互作用以界面耦合为主，水射流的冲击载荷在岩石内产生的应力波和射流准静态压力共同作用使岩石破碎，其中应力波的作用占主导地位。     

高压水射流破碎高围压岩石损伤场的数值模拟

利用ALE(arbitrary lagrange-euler)算法,考虑到一般情况下岩石处于高围压状态,建立了高压水射流冲击高围压岩石的数值模型.分析了高压水射流冲击下高围压岩石的损伤演化过程,指出岩石破碎过程呈阶跃式;通过对比无围压状态下岩石和高围压状态下岩石在高压水射流作用下破碎坑演化情况,指出处于高围压状态下的岩石损伤沿轴向的演化速率明显低于无围压状态下的岩石,沿径向的损伤演化受围压影响较小.通过分析4个典型单元在不同速度射流冲击下损伤演化情况,表明在提高射流速度可明显提高射流破岩效率,并在理论上对射流速度与射流破岩性能的关系进行了解释.     

高压水射流破岩应力波效应的数值模拟

高压水射流破岩是一个涉及诸多因素的复杂的非线形动力学问题,利用非线形有限元法,采用动态接触模拟高压水射流对岩石冲击作用.结果显示岩石内部最初受到冲击时的不稳定性由强变弱,反映了岩石的动态响应特性;模拟了在不同冲击速度下应力波在岩石中的传播和衰减过程,结果表明应力波的传播速度与冲击速度成正比,射流速度越大,应力波衰减越快;同时还模拟了以相同的速度分别冲击砂岩和煤时的应力波效应,计算表明在相同的冲击速度下,射流冲击煤的局部性效应比冲击砂岩时更为显著,应力波在砂岩中的传播范围要广泛一些.     

脉冲水射流破岩过程中的应力波效应分析

引入Johnson-Holmquist-Concrete岩石非线性本构关系,利用光滑流体粒子动力学方法,模拟了脉冲射流在破岩过程中应力波形成、传播及衰减过程,得出了高速脉冲射流作用下岩石表面不同位置处应力值随时间变化曲线,以及应力波峰值强度与离射流作用点距离的关系曲线,根据计算结果分析了岩石在应力波效应下的破坏行为以及射流速度、岩石性质对应力波效应的影响。分析结果表明：脉冲射流的应力波效应具有较强的局部性,应力波峰值强度随与射流作用点距离的增大而急剧减小;脉冲射流应力波强度、作用范围与射流速度呈正比例关系,其对岩石的体积破坏存在一个门限速度;不同岩性岩石在脉冲射流应力波作用下的破坏形式有所不同,砂岩等强度较低岩石的破坏形式主要为应力波对岩石加卸载过程中的拉应力下的裂纹扩展,而石灰岩、花岗岩等脆性硬岩的破坏形式主要为应力集中导致的纵向破坏。     

超临界CO_2直旋混合射流冲蚀岩石的损伤破坏机制

超临界CO_2射流具有破岩门限压力低、效率高的特性.直旋混合射流兼具直射流和旋转射流的破岩优势.采用超临界CO_2流体调制形成直旋混合射流的方法,有望大幅提高破岩效率.为了揭示其独特的岩石损伤破坏机制,分别选取页岩、白云岩与砂岩3种不同岩心,开展超临界CO_2直旋混合射流冲蚀岩石实验,并通过扫描电镜手段,观测冲蚀孔的微观损伤形貌.结果表明:页岩冲蚀后几乎未发生宏观形变,仅造成了表面微观损伤,产生了微小裂隙;白云岩及砂岩冲蚀后岩心表面产生了冲蚀孔,矿物晶体自身及晶间发生断裂甚至破碎.基于扫描电镜结果,分析认为其岩石损伤机制可以分为两方面:一方面,直旋混合射流对岩石产生轴向冲击、径向拉伸与周向剪切的共同作用,容易使岩石产生裂隙;另一方面,超临界CO_2具有低黏度、强扩散以及可压缩的性质,可进入深层孔隙,通过多种机制产生微裂隙并扩展已有裂缝,最终造成岩石宏观破碎.     

静载与冲击加载方式下滚刀破岩特性

为了研究在单一恒定静载荷和冲击动载荷这2种情况下盘形滚刀破岩机制,使用颗粒离散元法建立滚刀破岩的二维数值模型。通过控制破岩的垂直载荷,对滚刀破岩动态过程进行分析并研究静载荷、冲击动载荷和冲击次数对滚刀破岩特性的影响,最后通过实验对静载荷下滚刀破岩情形进行验证。研究结果表明:在单一恒定静载荷下,滚刀破岩效果随着静载荷增大而提高;当静载荷达到一定值后,破岩效果提升不明显,存在1个最佳静载荷使破岩效果最优;在冲击动载荷作用下,岩石裂纹扩展情况与静载荷的扩展情况相似,但岩石内部以剪切破坏为主;随着循环冲击动载荷以及施加次数增大,岩石内部产生的裂纹数增大并且有向水平贯穿的趋势,破岩比能耗先减少后变化不大;滚刀在动静载荷作用下比能耗的变化趋势基本一致,冲击动载荷破岩的比能耗比静载荷作用下的比能耗高,大约是静载荷破岩比能耗的1.4倍。     

盾构刀具破岩过程及其切削特性

采用数值模拟技术并借助于大型有限元软件,选择在Ottosen四参数破坏准则基础上引入损伤因子的非线性弹塑性本构模型作为软岩的材料模型,建立盾构刀具切削软岩的二维简化模型,模拟破岩过程中裂纹的生成和扩展;建立三维有限元模型,分析切削力在整个切削过程中的变化,并通过试验验证仿真过程的可行性和有效性.研究结果表明;岩石的破碎过程和切屑的形成过程是由拉伸裂纹和剪切裂纹延伸而成;刀具的切削力与切削时间之间遵循波动变化关系,能够较真实地反映盾构刀具破岩过程中岩石的破碎动态响应过程;采用该方法研究刀具几何参数和切削参数对切削力的影响程度和趋势,为盾构刀具的最优化设计提供了参考依据.     

高压水射流冲蚀作用下页岩破坏模式与力学机制

为揭示高压水射流冲蚀作用下页岩破坏机制,以四川龙马溪组典型页岩为研究对象,开展淹没条件下水射流冲蚀破岩试验,采用扫描电子显微镜和计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)图像三维重构技术,分析岩石宏观破坏过程和微观破坏形貌特征,并进行了砂岩对比试验.结果表明,在相同试验参数条件下,高压水射流冲蚀页岩破坏模式与砂岩有明显差别,页岩平均冲蚀速率和最大冲蚀深度均不到砂岩的1/2.力学机制分析认为,当高压水射流滞止压力小于页岩抗压强度时,在初始破碎坑形成阶段以拉伸破坏为主,出现岩块崩落现象;在射流成孔阶段,射流冲击力不断下降,难以产生拉张破坏或压剪破坏,此时以射流剥蚀矿物破坏为主.研究结果可为水射流提高页岩破碎效率提供理论指导.     

单轴压缩下孔洞砂岩细观破裂演化规律

采用INSTRON-1346型液压伺服控制试验机对含圆形、梯形、马蹄形和正方形4种孔洞的板样红砂岩进行单轴压缩试验,并借助数字图像相关技术观测和分析砂岩试样的变形和破裂演化过程,研究孔洞形状对岩石力学特性和断裂损伤演化规律的影响。研究结果表明:岩石抗压强度和弹性模量随着孔洞形状的不同而有不同程度的弱化,且梯形孔洞劣化作用最明显;含不同孔洞形状砂岩的破坏模式整体呈对角剪切破坏,但局部破坏存在一定差异;含孔洞岩样在单轴压缩条件下的变形损伤和演化过程均经历微孔隙压密与拉伸裂纹萌生阶段、拉伸裂纹稳定扩展阶段、次生裂纹萌生阶段、次生裂纹快速扩展阶段、远场裂纹萌生与繁衍阶段以及宏观剪切形成与破坏阶段这6个阶段;拉伸裂纹在加载全过程中经历"张开—闭合—重新张开"的过程;孔洞周围次生裂纹的起裂大多为张拉和剪切破坏共同作用的结果,其后剪切作用逐渐对裂纹的扩展起主导作用。     

基于声发射的层状复合岩石损伤演化规律实验研究

为了研究层状复合岩石内部微观裂隙的损伤情况，采用单轴压缩试验，结合声发射分析仪对试件内部破坏过程进行实时监测，分析岩石的破坏过程、声发射的参数等力学特性。研究结果表明:层状复合岩石的破坏特征不是单一岩石破坏特征的直接相加，而是在荷载作用下耦合破坏的结果。强度高的硬岩可以约束强度低的软岩发生横向变形，而强度低的软岩对强度高的硬岩的横向变形具有推动作用；声发射的能量计数与复合岩石内部裂纹的压密、扩展、贯通过程有紧密联系，可以评估岩石内部的损伤程度；根据累计能量建立的损伤演化方程，其拟合数据与试验数据吻合较好，实现了用声发射能量计数反应层状复合岩石的损伤演化规律，为层状复合岩石的损伤研究提供了参考。     

新型直旋混合射流破岩特性及机理分析

为了揭示直旋混合射流的破岩机理,开展了直射流、旋转射流与直旋混合射流的冲蚀实验,并利用3DPIV测试系统获得了3种射流的速度场,通过对比分析相同靶距下冲孔深度及射流速度沿径向的分布规律,揭示了直旋混合射流的损伤破岩特性。结果表明,直旋混合射流可消除旋转射流的中心低速区和冲孔的中心凸台,该射流沿径向的分布宽度和破岩直径大于直射流,射流结构可分为直射流区、强旋射流区、弱旋射流区和外围射流区。直射流区的冲击破岩能力主要取决于射流能量;强旋射流区具有较大的径向和切向速度,当对岩石施加径向张力和周向剪力且在其合速度小于直射流的情况下,该区破岩深度仍可达到直射流区破岩深度;在弱旋射流区,受直射流和强旋射流的共同作用,岩石强度降低,但当三向速度均较小时亦能有效破岩;外围射流区主要是通过返回流携带岩屑对孔壁起磨削作用。     

不同动静载荷组合作用下盘形滚刀破岩机制

为了研究TBM盘形滚刀在不同动静载荷组合作用下切削花岗岩过程中的切削特性,在动静载荷组合作用下对盘形滚刀进行受力分析,采用颗粒离散元法建立岩石破碎全过程的二维数值模型,研究破岩过程岩石内部的裂纹扩展情况、内应力分布情况以及盘形滚刀的贯入度和破岩比能耗,分析在不同动静载荷组合作用下盘形滚刀破岩的情形,得到破岩效果最优的动静载荷组合。研究结果表明:随着静载荷和冲击动载荷增加,盘形滚刀的贯入度增加;盘形滚刀在动静载荷组合作用下破岩过程分为3个阶段,岩石内部应力基本符合J.Boussinesq应力圆规律;动静组合载荷作用下,岩石内部萌发的侧向裂纹比中间裂纹扩展得更快,以受拉破坏为主;破碎体积、贯入度和破岩效率相对于单一静载或单一动载有很大的提高;合理选取动静组合载荷能使破岩比能耗最小,破岩效果最好。     

复合应力状态下砂岩损伤演化与裂纹扩展特征试验研究

为从细观尺度上研究复合应力状态下岩石中裂纹的扩展,采用数字图像相关技术,对砂岩人字形切槽巴西圆盘试件展开试验研究。基于试验中获取的试件在加载全程中的裂缝开口位移、全场域的应变场和位移场的分布和演变规律,对岩石的损伤演化及裂纹扩展机制和特征进行分析。结果表明:复合应力状态下岩石的损伤演化具有明显的阶段性;主要断裂形态为翼裂纹和次生裂纹,均为拉剪复合型裂纹;翼裂纹起裂位置随加载角度增大向试件中心靠近,沿曲线路径向加载点扩展,扩展中主导机制为拉伸;次生裂纹从柱面边缘起裂,以较平直路径向切缝尖端或切缝上某处扩展,扩展过程快速而不稳定,拉伸与剪切在其扩展机制中所占比重随加载角度变化。     

超临界二氧化碳射流破岩试验

采用超临界二氧化碳射流进行破岩钻井是一种极具潜力的非常规油气藏钻采方法。依据石油钻完井的特点和超临界二氧化碳流体的特性,研制超临界二氧化碳钻完井试验系统,并进行超临界二氧化碳射流破岩试验。结果表明:超临界二氧化碳射流比高压水射流破岩具有显著优势;喷嘴直径、喷距、射流压力和岩石性能对超临界二氧化碳射流与高压水射流破岩的影响规律基本一致;井底环境温度对超临界二氧化碳射流破岩效果影响显著,在向超临界态转变的过程中,射流破岩效果随着温度的升高急剧增强,当温度超过临界值后,温度升高对射流破岩效果的改善趋缓。     

钢粒冲击岩石破岩效果数值分析

为了分析钢粒冲击岩石的破岩效果,应用动力瞬态非线性有限元方法,建立球形钢粒冲击岩石的计算模型,并对其破岩过程和破岩机制进行分析.钢粒冲击岩石的理论最优粒径为0.1～0.3 cm、冲击速度为100～250 m/s、入射角为0°～20°.室内钢粒冲击岩石试验结果表明:加入钢粒后岩石的冲击破碎体积是不加钢粒的4倍多;在常规钻井机械水力联合破岩的基础上,加入钢粒会大幅度提高硬地层的钻井速度;试验验证了数值模拟的正确性.     

高压水射流破岩机理研究

由于高压水射流破岩涉及的因素较多 ,且影响因素的作用规律比较复杂 ,致使其破岩机理一直未能被准确揭示 ,从而制约着水射流技术的应用和发展。对水射流破岩理论研究的状况进行了回顾 ,系统评述了水射流破岩研究中的理论要点 ,在此基础上指出水射流的冲击动载荷、岩石的动态本构关系、岩石与水射流的耦合作用以及水射流破碎岩石的数值模拟研究等是水射流破岩机理研究的发展方向 ,这对高压水射流破岩理论的深入研究和水射流技术的应用具有现实的意义     

高压水射流破岩机理研究

由于高压水射流破岩涉及的因素较多，且影响因素的作用规律比较复杂，致使其破岩机理一直未能被准确揭示，从而制约着水射流技术的应用和发展。对水射流破岩理论研究的状况进行了回顾，系统评述了水射流破岩研究中的理论要点，在此基础上指出水射流的冲击动载荷、岩石的动态本构关系、岩石与水射流的耦合作用以及水射流破碎岩石的数值模拟研究等是水射流破岩机理研究的发展方向，这对高压水射流破岩理论的深入研究和水射流技术的应用具有现实的意义。