冲击凿岩的瞬态动力学及效率分析

在分析冲击凿岩时岩石破碎过程的基础上,应用波动力学钻探理论对由活塞、钎具、岩石组成的凿岩钻机冲击钻探系统进行瞬态动力学分析,基于一元、二元冲击子系统力学模型建立凿岩系统特征方程,引入无量纲钻头质量比、无量纲活塞长度比等抽象变量,推导出系统的能量传递效率表达式,详细分析应力波在钻杆中的传递效率,得到在不同设计参数时的最大凿岩效率.     

冲击凿岩的岩石磨蚀性

冲击凿岩钻头的磨损是多种磨损机理共同起作用,主要是磨料磨损。影响岩石磨蚀性的主要因素是岩石的整体坚固程度和硬矿物含量。岩石磨蚀性系数是凿碎比功和硬矿物含量的函数,此结果已由模拟实验和实际凿岩试验所验证。     

冲击诱导损伤岩石的侵入特性

在硬岩矿山开采中,为了提高大孔径深孔凿岩效率,降低钻具磨损,提出了冲击诱导切削复合凿岩新工艺.在Walsh模型的基础上,建立了冲击诱导孔周围损伤岩石的裂纹模型,推导了岩石损伤区的牙轮钻齿侵入系数方程及侵入阻力方程.分析了裂纹密度、扰动频率分别对岩石弹性模量、岩石破碎体积和钻齿侵入阻力的影响.结果表明:随裂纹密度的增大,岩石的有效弹性模量减小;相同侵入载荷下,随着扰动频率的增加,钻齿的侵深和岩石破碎体积不断增加;随着冲击扰动频率的增大,牙轮钻齿侵入阻力逐渐减小.     

高压水射流冲击破岩损伤场分析

以Johnson-Holmquist modelⅡ(JH-2)脆性材料本构模型来表征岩石的力学特性,利用光滑粒子流(SPH)和有限元(FEA)耦合算法建立高压水射流冲击破岩过程的数值模型,很好地模拟水射流损伤破岩过程中岩石失效、裂纹扩展以及不同位置岩石单元的损伤程度随时间变化的过程。此外,模拟分析射流冲击速度、入射角以及平移速度对岩石损伤场的影响。研究结果表明:岩石的损伤破坏、裂纹扩展是剪切和拉伸共同作用引起的,且近射流冲击点的损伤破坏由剪切作用主导,而放射性裂纹和层状裂纹的扩展主要由拉伸作用主导;岩石单元的损伤值随时间呈阶跃性变化,且射流冲击损伤破岩过程为微秒量级;射流冲击损伤破岩的入射角存在一个有效范围,当入射角大于70o时损伤破岩效果较好;射流冲击速度较低时以表面冲蚀岩石为主,射流冲击速度达到一定值才能使岩石损伤破坏,出现放射性裂纹和层状裂纹;射流平移速度与冲击速度相比很小,对岩石的损伤场影响不明显。     

关于岩石的动静态侵入断裂

对岩石、玻璃和陶瓷等脆性材料的动静态侵入断裂实验及理论研究现状进行了总结和评述。以实验结果为依据,描述了岩石在动静态侵入载荷作用下所产生的裂纹类型及其形成与扩展过程;讨论了用半经验,半理论方法建立的裂纹长度与侵入载荷(或压头冲击速度)之间的关系。最后指出了上述研究结果在岩石力学参数测定及凿岩机具设计与研制中的一些应用。     

岩石可凿性研究及应用

本文综合介绍了岩石可凿性研究的部份最新成果。对两种不同的研究方法(印力—凿深曲线和凿碎比功),阐述了它们在岩石可凿性方面的应用,以及这些理论对凿岩机械研究和设计的指导作用,为凿岩机械的设计提供一定的参考。     

基于遗传算法的凿岩钻进系统自寻最优控制

现有凿岩台车大多不具备自寻最优凿岩参数功能,凿岩钻进速度难以达到理论设计的最大值。为获取最大凿岩钻速,分析了多种影响因素,从中筛选出主要的可控变量。根据其难以构建准确的数学模型、非线性、时变性的特点,引入遗传算法作为自寻优核心思想,并设计了相应的控制系统。经验证,这种控制方法可以使钻进速度较快收敛至最大值。与传统的控制方法相比,该控制方法可根据岩石硬度自动匹配最优凿岩参数,有效地提高凿岩速度,大大减少凿岩施工所需时间。对于同类的凿岩设备自寻优控制同样具有参考价值。     

凿岩过程全参数自适应最优控制理论及实现方法

根据液压凿岩机参数调节的固有特征,在恒功率自动换档的基础上,建立了液压凿岩过程有级调节冲击能、冲击频率及无级调节推进力和转钎速度的全参数自适应最优控制数学模型;此外,根据有级调节的特性,提出了先采用逐个变量变步长试行登山法分级局部寻优、然后再取各级局部最优中的最佳控制为其全参数自适应最优控制的程序以及液压凿岩全参数自适应控制最终成为现实提供了可行的理论指导和实现方法．     

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.     

石灰岩的SHPB试验研究

利用大直径（φ75 mm）分离式Hopkinson 压杆装置（SHPB）实验技术对石灰岩岩石试件进行了循环冲击实验,得到了石灰岩岩石冲击过程中的动态应力-应变曲线,定量研究了冲击过程中的能量耗散. 同时利用岩石损伤的超声波测试技术对应力波作用下的石灰岩损伤进行表征,并探究了不同冲击条件下石灰岩损伤和应力波波幅、石灰岩损伤和耗能值之间的关系. 在子弹长度相同条件下,石灰岩损伤和应力波波幅呈指数关系,且在累次冲击实验中得到印证. 石灰岩损伤与耗能值之间为简单的线性关系.      

大直径硬岩钻进技术的探讨

讨论了国内外大直径硬岩的钻进技术方法,介绍了国内外正在应用和研究的大直径硬岩钻进的新技术;指出了大直径硬岩反循环潜孔锤环状钻进取芯方法的优点;提出了大直径硬岩取芯钻进中存在和需解决的问题;指出了大直径硬岩取芯钻进技术的发展研究方向。     

切缝辅助滚刀破岩临界间距试验及预测模型研究

提高坚硬岩石条件下滚刀破岩能力是隧道施工的长期追求目标,而采用水射流辅助滚刀破岩可有效降低岩石开挖难度和刀具载荷,是一种很有前景的新型破岩技术。本文针对水射流切缝辅助滚刀破岩这一方式,首先采用破岩试验验证了切缝间距对切缝辅助滚刀破岩效果的影响,证明在岩石材料、贯入度、切缝深度一定条件下,切缝辅助滚刀破岩存在一个临界间距,当切缝间距小于临界间距时,切缝侧才能发生贯通破碎;然后采用岩石剪切破坏理论分析并提出了线性化临界间距计算模型,该模型表明临界间距的大小与切缝深度L和贯入度H的差值（L-H）线性线性相关。     

水射流-机械滚刀复合破岩影响因素

针对极硬岩、极端软硬不均等特殊地层,滚刀破岩效率低下,刀具磨损（损坏）严重,掘进机换刀频繁,作业效率低的问题,通过搭建水射流滚刀复合破岩实验系统,针对不花岗岩,采用不同的机械滚刀间距及水射流辅助破岩方式,开展了纯机械滚刀破岩、水射流切割岩石和水射流机械滚刀复合破岩实验研究,探明了水射流与机械滚刀复合破岩水射流破岩切缝深度、刀具三向力及破岩比能变化规律,为水射流破岩技术在隧道掘进机工程应用提供指导。     

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。     

气液两相射流破岩流场数值模拟

为解决传统水射流破岩资源消耗巨大的问题,急需研究出一种高效节能的射流破岩技术,以达到节能减排、绿色可持续发展的目的。本文基于计算流体力学方法,在水射流的基础上加入定量气相,形成气液两相射流,并对其进行数值仿真,研究了气液两相射流的速度场、压力场特性,分析了气相体积分数、入射压力和喷距对气液两相射流破岩性能参数的影响规律。研究结果显示：气相体积分数为30%的气液两相射流的最大轴向速度为288 m/s,相比纯水射流提升超过19%。当射流从喷嘴喷出,高压的气泡溃灭会形成高速溃灭微射流,提高射流速度和射流冲击力。随气相体积分数增加,射流最大轴向速度不断增加,而驻点压力略有下降。随入射压力增加时,射流最大轴向速度呈上升趋势,但增幅逐渐变缓。当喷距增加到35 mm时,射流中的大部分气泡在靶面附近发生溃灭,对靶面产生脉动冲击,使驻点压力回升到26 MPa,此时驻点压力高,射流扩散较小,射流破岩性能良好。     

冲旋钻井条件下的岩石破碎机理

冲旋钻井因其具有较高的钻速和较小的井斜,而广泛应用于矿山、石油与天然气领域的钻井工程中.为了揭示冲旋钻井的破碎机理,考虑静压、冲击和旋转的耦合作用,分别建立了牙齿和12 1/4″全尺寸平底钻头与岩石的三维冲击动力学模型.对所建立的模型进行有限元求解,结果显示:拉应力破碎是岩石破碎的主要形式,剪切应力、压应力破碎次之;岩石的破碎主要发生在岩石的拉应力失效阶段和卸载后的静压-旋转剪切破岩阶段;岩石在单齿的作用下可以显著地分成4个半球形区域;全尺寸钻头的破岩过程可以分成5个破碎阶段;边齿倾角越大,破岩侵深越小,破碎体积越大,齿顶应力越高;钻头边齿齿顶和齿孔应力均远高于中心齿,极易最先破坏;岩石越硬,牙齿侵入深度越小,破岩体积越大.研究结果与一系列的室内实验研究结果一致,可用于冲旋钻井钻头的优化设计及冲旋钻井参数的优选.     

液动冲击旋转钻具存在的问题及解决途径

论述了液力冲击旋转钻井技术在我国油气钻井中应用的主要问题是：对振动的担心,冲击钻具本身的质量,与钻头的配套及适用的岩层等问题．提出了解决的途径,包括冲击钻具的合理设计、选材与使用,尽量少用弹簧,减少易损件,优选材质,保证冲击钻具的寿命达到２００ｈ以上．指出在解决了冲击钻具的寿命和工作稳定性两个关键问题后,这一技术完全可以应用于我国油气井钻井中．     

楔形钻齿作用下岩石破碎及微观劣化过程

从理论分析和数值模拟两方面研究楔形钻齿侵入岩石过程中径向裂纹和侧向裂纹的扩展情况。首先根据Marshall的试验研究,分析考虑钻井液压力、侧压作用下岩石在楔形钻齿侵入过程中径向裂纹与侧向裂纹的极限长度公式和最佳齿间距公式,讨论钻井液压力、侧压和齿间距对裂纹扩展的影响;然后利用离散单元方法(PFC2D)研究楔形钻齿侵入过程中岩石的失效以及裂纹扩展情况。研究表明:随着侧压增大,临界侵入深度变大;钻齿下方的损伤区域变小,并且损伤区域变得相对比较平坦,不再凸入岩石内部;钻井液压力增大对径向裂纹的扩展以及损伤区域的扩大有促进作用,径向裂纹长度以及损伤区域随钻井液压力的增大而增大,但损伤区域随着钻井液压力的增大越来越凸入岩石内部;钻井液压力对侧向裂纹的萌生和扩展有抑制作用;合理的齿间距可以产生侧向裂纹重叠区,促进岩石的破碎,提高破岩效率;理论分析结果和数值仿真结果较一致。     

空气冲旋钻井机械钻速仿真算法

钻井机械钻速预测是难题.以前,研究者们常根据现场数据或试验数据,用统计拟合分析方法得出机械钻速的经验或半经验关系式.这些经验或半经验公式包括一些很难确定的系数准确性和可靠性差.为此,作者结合三牙轮钻头有关的理论,建立了空气冲旋钻井钻头的真实数学模型、真实井底模型和钻头牙齿与井底岩石互作用模型,用计算机仿真方法预测出了空气冲旋钻井机械钻速.使用表明,该模型可靠,计算结果与实际机械钻速基本一致,研究成果可用于冲旋钻头改进、优化设计和钻井参数优选.     

粒子破岩钻进技术研究进展及发展趋势

粒子破岩钻进技术在提高深井硬地层和强研磨性地层钻进速度和效益方面具有巨大的发展潜力。在对国内外的研究现状进行广泛调研的基础上,结合研究实际,对粒子破岩钻进的技术路线、粒子注入系统、回收系统以及适合于粒子冲击破岩的井下破岩工具等方面的研究进展进行分析。结果表明:连续、稳定地将高硬度和高研磨性的粒子注入到高压钻井液中,并使其在钻井液中均匀分布,而且能有效回收是该技术的基础;个性化的PID钻头设计和水力参数优化设计是该技术研究的重点;提高系统使用寿命和工作稳定性是加快技术推广应用的突破口;粒子射流对岩石的冲击动载作用和应力波损伤软化作用机制以及射流-机械联合破岩机制研究是该技术研究的前沿。