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。     

水平井段旋转钻进时钻头侧向力及钻进趋势试验研究

进行水平井段旋转钻进时钻头侧向力的试验研究,并将钻头侧向力分解为方位力和井斜力,以这两个力的变化规律为基础,对待钻井的钻进趋势进行预测。结果表明:随着钻压和转速的增加,方位力和井斜力的变化规律不同,增加钻压,两个力波动的频率变小,波动的能量变大,但方位力的波动频率大于井斜力的波动频率,方位力的波动能量小于井斜力的波动能量;增加转速,方位力的波动频率变大,波动能量几乎不变,井斜力的波动频率变化不大,但波动能量变大;在实际的钻进过程中,为避免"方位漂移"现象的加剧,建议使用较低钻压或者高钻压钻进;为避免井斜加剧,建议使用低钻压和低转速钻进。     

金刚石排列模式对钻进时效的影响

 研究金刚石宏观排列模式与金刚石钻头碎岩的时效关系, 不仅有助于设计有序排列金刚石钻头, 而且有利于更好地理解金刚石有序排列下岩石的破碎机理。本文应用ANSYS-LSDYNA 有限元软件对3 种不同金刚石排列模式(弧形排列、均匀排列和射线排列)的平底孕镶金刚石钻头进行孔底碎岩模拟研究, 考察金刚石的排列模式对其钻进时效的影响, 并对采用钎焊法试制的3 种有序排列金刚石钻头进行室内钻进试验。研究表明, 3 种钻头的钻进时效由高到低分别为弧形排列、均匀排列和射线排列钻头, 室内钻进试验结果与数值模拟结果吻合较好。     

复合钻头钻进过程的有限元模拟

设计了一种新型的“2+2”型牙轮PDC复合钻头（包括CL型和BL型两种结构）,并采用显式动力学有限元分析方法对两种结构的钻头钻进凝灰岩和花岗岩的物理过程进行了数值模拟。结果表明,CL型钻头适合于钻进较硬的地层,而BL型钻头适合于钻进较软的地层;两种钻头钻进硬岩时的牙轮切削齿轴向力均比钻进软岩时的牙轮切削齿轴向力大,在相同岩石中钻进时,CL型钻头比BL型钻头的牙轮切削齿轴向力大;PDC切削齿轴向载荷沿钻头径向的分布形态与刀翼的冠部形状相似,位于锥顶的切削齿轴向载荷最大;钻压在牙轮和刀翼上的分配与钻头的结构类型相关。     

基于仪器钻进系统的风化花岗岩地层界面识别

针对香港风化花岗岩场址勘探,在液压旋转钻机上安装钻孔过程监测系统(drilling process monitoring,DPM),对有效轴压力、钻具转速、冲洗压力、钻头位移及穿孔速率进行了实时监测.采用变斜率作为显著性指数,对地层中的主、次界面进行了识别.t检验表明,DPM系统对岩土界面识别的置信度为99%.此外,对穿孔参数在界面处的变化分析表明,这些参数随孔深的变化曲线在界面处存在不同涨落,轴压力和穿孔速率对界面上岩石强度变化的响应度为81.82%.     

铀系不平衡在粤北花岗岩风化速率研究中的应用

为探讨粤北花岗岩化学风化过程中所表征的地貌演化和气候环境变化，选取锦江流域为研究区，运用铀系不平衡方法，测试流域内河流水中铀的质量浓度、风化壳及岩石中铀的质量分数、234U与238U的放射性活度比，计算流域中花岗岩的化学风化速率.结果显示:在当前水热条件下，本流域中平均CIA值为86.84的花岗岩风化壳的化学风化速率为0.038 mm/a，即风化1 m厚的花岗岩需要约26 000年；在热带亚热带地区，控制岩石风化的主要因素是高温潮湿的气候条件；铀系同位素之间产生的不平衡适用于量化评估风化作用下水-土-岩三者间的相互作用，也为岩石风化及地表过程的相关研究提供了一种新的示踪手段.     

模糊数学在岩石坚固性分级中的应用

岩石物理力学性质表现为非均匀性、各向异性、非线性和非连续性,因而它的铡定数据有不确定性.作者认为岩石的抗压强度、纵波速度和凿碎比功是影响岩石坚固性的基本因素.本文建议将被评的岩石坚固性视为等级论域上的一个模糊子集,并利用模糊数学中模糊推理和综合评判的理论,提出了一个综合评定岩石坚固性等级的新方法,在模糊推理中,用二元对比排序法来确定影响岩石坚固性诸因素的权重.     

反井钻机ZX315镐型镶齿滚刀有效钻压分析

反井钻机在金属和非金属矿山坚硬岩石地层中钻进井筒时,在因反井钻杆和硐室空间问题限制钻机能力的情况下,经常需要采用略高于有效破岩钻压进行钻进,而通过全尺寸滚刀破岩实验或单齿压入实验可以判断有效钻压.选用ZX315镐型镶齿滚刀和单轴抗压强度141.6 MPa的花岗岩,进行直线往复式滚刀破岩实验对.在25～150 kN不同钻压时,通过观察破岩面、称重破碎岩碴、记录实验数据,分析得到钻压与破岩体积关系曲线拐点,进而获得有效钻压为100 kN,根据钻压与滚动力关系曲线得到滚刀的滚动摩擦因数为0.203,通过对岩石单轴抗压强度和有效钻压的拟合,得到单轴抗压强度与有效钻压的关系公式,可计算得到有效扭矩.通过对不同岩石的有效破岩钻压分析,得到有效破岩钻压与岩石单轴抗压强度的关系,并推算得出ZX315镐型镶齿滚刀的有效钻进钻压近似为岩石单轴抗压强度的75.48％.     

干湿循环作用下露天矿边坡岩石损伤能量演化分析

水位升降对露天矿坑边坡岩石强度产生明显的弱化,因此,干湿循环对岩质边坡稳定性分析具有重要影响。通过不同干湿循环次数下的岩石单轴压缩试验,基于不可逆热力学损伤理论,分析外力总功、弹性能以及能量耗散之间的内在关系。实验表明:外部载荷对岩石所做总功,一部分转化为岩石弹性变形能,还有一部分以能量耗散的形式导致岩石发生不可逆的损伤。通过岩石室内试验,研究花岗岩力学性质变化规律,建立基于能量耗散原理的不同循环次数下花岗岩损伤演化方程。室内试验分析和理论研究表明,基于能量耗散原理建立的不同干湿循环效应下岩石损伤演化方程,可以较好地描述岩石的损伤演化。     

旋挖钻机截齿的破岩机理及优化研究

旋挖钻机成孔的显著优势备受关注,但实际钻孔很难达到理想的破岩效果,揭示复杂地层赋存环境的钻头破岩机理是关键。文中基于Boussinesq问题的求解,得到动力头压力和扭矩作用于截齿时的岩石受力及位移,推导截齿破岩时的侵入力及切削力表达式。建立单截齿破岩的三维数值模型,获得钻头钻进中截齿的侵入力及切削力变化规律,对比理论结果以验证数值模型的可行性。基于旋挖钻机双截齿破岩过程的数值模拟,分析钻进中的岩体力学响应及裂纹演化以揭示截齿的破岩机理,探讨不同截齿布置的旋挖钻机破岩力特征,阐明截齿倾角或偏斜角增大都将不同程度地改变破岩力大小。进一步分析截齿布置方式与不同类型地层组合的破岩效率,结果表明,截齿倾角或截齿偏斜角或截齿间距相等时,由软到硬地层的破碎比功逐渐增大,且钻进某一地层的破碎比功先减小后增大,存在最优的截齿布置使得钻进效率最高。研究成果可为旋挖钻机截齿设计的优化和破岩效率的提高提供理论依据。     

Similarity identification method on formational interfaces and application in general granite

An instrumented drilling system can be applied for the acquisition of drilling process parameters. The system can provide continuous and huge data for geotechnical engineering. However, due to the complexity of ground strata, the variation in the drilling parameters with stratigraphical characteristics is great and the correlation between likely comparable parameters is not high, which limits the use of conventional correlation approaches in this field. How to use the data for engineering and how to get a reasonable interpretation for the relationships among the drilling parameters, as well as between a drilling parameter and formational characteristics, become a technical choke point for the development and application of the instrumented drilling system. Based on similarity criteria, the extraction of sample data and characteristics, the pretreatment of data and feature matching algorithms have been analyzed and an approach of slope coefficient searching identification has been established. A case study was carried out for the similarity between the rotational speed of the drill bit, flushing pressure, and effective thrust force graphics in general weathered granite. The result shows that the similarity coefficients between the rotational speed of the drill bit, flushing pressure, and effective thrust force are 0.72 and 0.83, respectively. Although there are differences between the distances of the graphics, the curves of both rotational speed and flushing pressure agree with the effective thrust curve in shape, which provides a possible method for the identification of various formations by use of the similarity between feature drilling parameters.     

探地雷达在花岗岩球状风化体探测中的应用

花岗岩发育地区球状风化体(俗称"孤石")的分布直接影响城市轨道交通工程的建设,准确探明花岗岩孤石的空间分布具有重要的现实意义.为了探明地铁建设过程中花岗岩孤石分布情况,结合深圳地铁11号线某区间孤石探测试验,采用探地雷达研究两孔间孤石分布情况,试验数据能较好反映出土层间反射回波的异常.试验分析结果与现场验证钻孔的对比表明:该物探方法能在一定程度上揭示孤石的空间分布,表明了探地雷达在孤石探测上的有效性和适用性.     

碳纤维复合材料铝合金叠层制孔工艺研究

为提高叠层材料制孔质量満足装配与连接的要求,对CFRP/A1叠层材料进行了钻削试验研究。研究了不同叠层顺序、不同刀具材料在变换加工参数时对轴向力的影响。结果表明:从复合材料侧钻入时,由于铝合金对复合材料产生的支撑作用制孔质量得到了明显提高;从铝合金侧钻入能获得更低的钻削轴向力;相比无涂层及金刚石涂层钻头。类金刚石涂层刀具在钻削叠层材料时能获得更好的孔壁质量。     

电镀金刚石刀具钻削碳纤维复合材料磨粒磨损特征研究

采用电镀金刚石钻磨组合刀具钻削碳纤维复合材料能够有效地减小或消除毛刺和分层等加工缺陷,刀具的使用寿命主要取决于电镀金刚石磨粒的使用寿命．为此,对研制的刀具表面电镀金刚石磨粒的加工磨损形态进行了系统的统计观测．研究结果表明：采用电镀金刚石钻磨组合刀具钻削T300碳纤维复合材料过程中,电镀层的金刚石磨粒具有独特的初期不稳定磨损、混合磨损和正常磨损3个阶段,其磨损形态与钻削产生的轴向力具有显著的线性关系．随着钻孔数目的增加,钻磨孔的轴向力逐渐增大,但是加工出的孔径在刀具经过初期磨损后仍然能够较长时间地稳定在0．024mm误差范围内．     

软岩的旋转触探诸参数间的内在关系

为经济快速合理地确定不同地层的旋转触探运行参数,及进一步研究通过触探诸参数确定岩石力学参数的方法,必须明确旋转触探软岩样时探头上的负荷、扭矩与探头的转速、钻进速度之间的内在关系.在理论研究分析的基础上,用角片式探头在笔者研制的"旋进式触探机"上系统地进行砌块的旋转触探试验,且结合已报道的对石灰岩和砂岩用PDC钻头在室内进行的钻进试验数据分析验证了触探岩土体时探头上的负荷、扭矩和其钻进参数间内在关系的正确性.得到了以下结论:当探头的转速不变,则扭矩和负荷与钻进速度呈线性关系;当探头的钻进速度不变时,负荷和扭矩与转速呈-1次曲线关系;当探头的钻进速度和转速不变时,扭矩与负荷间呈线性变化关系:当探头上的扭矩与负荷不变时,转速与钻进速度呈正比关系.     

富水全强风化花岗岩隧道突水突泥灾害机制与帷幕注浆技术

为研究富水全强风化花岗岩隧道突水突泥灾害机制与帷幕注浆技术,以广西均昌隧道富水全强风化花岗岩地段突水突泥灾害处治实践为例,对隧道突水水泥灾害特征、诱发机制及防治措施进行深入研究分析。结果表明：富水全强风化花岗岩隧道突水突泥灾害突发性强,演变速度快,次生灾害严重,影响范围大;隧道突水突泥灾害的孕险环境因素有长条状谷地汇水负地形、水资源丰富、导水通道发育、岩层水稳定性差,而超前勘探工作不充分、注浆效果不到位及施工扰动是灾害的主要致灾因子,岩体受地下水浸泡软化,岩层在静水压力作用下被击穿,掌子面发生局部渗流失稳,形成突水通道,渗流转变为管道流,形成突泥通道,在静水压力和动水冲刷的共同作用下迅速演化发展成突水突泥灾害,同时引发地表塌陷、河流断流、池塘干涸等次生灾害;通过修正帷幕注浆参数,隧道注浆治理段开挖面整体稳定性显著增强,稳定渗流量减少53.78%~80.19%,对隧道堵水加固效果明显,能有效防治了突水突泥灾害,确保工程施工安全,缩短建设工期,增大工程效益。研究成果对全强风化花岗岩隧道防治突水突泥灾害具有一定指导意义。     

基于分数阶微积分的岩石硬性结构面蠕变本构模型

结构面普遍存在于工程岩体中,影响工程安全。对含结构面岩体的蠕变特性及本构模型的研究对揭示岩质边坡蠕变机制及边坡失稳预测具有较大的意义。利用水泥砂浆制作非贯通硬性结构面试样,进行剪切蠕变试验,并对蠕变特性进行分析。将整数阶黏壶元件改进为分数阶微积分软体元件,并替换Kelvin模型中整数阶黏壶元件,同时引入能够模拟结构面加速蠕变过程的非线性黏性元件并将其非定常化,采用元件组合方式,构建基于分数阶微积分的岩石硬性结构面蠕变本构模型。以非贯通硬性结构面和贯通型硬性结构面试样剪切蠕变试验数据为基础,分别对本构模型进行验证并对待定参数进行辨识。结果证明,试验值和预测值之间相关性程度R~2均较高,非贯通硬性结构面和贯通型硬性结构面相关性R~2分别达0.94和0.97,表明该模型能较好地模拟非贯通硬性结构面和贯通型硬性结构面岩体蠕变特性,对揭示岩质边坡蠕变机制和时效演化有重要意义。     

赣南花岗岩风化带岩土体强度特征及边坡破坏模式分析

为研究赣南地区花岗岩风化带岩土体强度特性及边坡破坏模式,采用室内岩矿鉴定、X粉晶衍射试验和电镜扫描等方法对原岩和全风化花岗岩进行矿物成分和微观结构分析,同时通过全风化花岗岩三轴固结不排水剪切试验,中风化花岗岩单轴和三轴试验对风化带岩土体的强度特征和破坏模式进行了研究。结果表明:随着围压增大,全风化花岗岩应力-应变关系发生了转型,破坏模式为先鼓胀再剪切破坏;中风化花岗岩在单轴压缩条件下经历了四个破坏阶段,三轴试验得到岩块的抗剪强度参数,经虎克布朗准则反演得到了岩体的强度参数。结合野外特征,赣南花岗岩风化带岩土体边坡失稳破坏模式主要有5种,其中坡面冲刷破坏占比较大。