大切削具钻头回转钻进的分析

根据刃具斜切入破岩的一些试验研究成果，分析了大切削量钻头的钻进过程，推导出了大切削量钻头进行回转钻进的机械钻速公式。     

模拟深井条件下的PDC钻头破岩试验研究

利用深井破岩试验装置模拟不同井深压力条件下对泥岩进行了ＰＤＣ钻头破岩试验，试验结果表明，随着井深的增加，岩石强度增加，破碎岩石的切削力增加，同时，ＰＤＣ钻头齿形和结构对破岩效率影响较大，因此必须按深井条件和岩石特点进行ＰＤＣ钻头齿形和结构设计，以达到提高机械钻速的目的。     

TBM滚刀破岩的广义粒子动力学数值模拟

提出了一种新的无网格数值模拟计算方法--广义粒子动力学法(GPD),并在GPD算法中引入了粒子损伤理论。运用GPD方法,建立了TBM单滚刀、双滚刀作用下的完整岩体破岩模型,成功模拟了TBM滚刀破岩过程。通过与数值模拟结果及室内试验结果的对比分析,验证了GPD法模拟TBM滚刀破岩过程的有效性。同时,运用GPD方法建立了含节理岩体及高围压条件下岩体的TBM滚刀破岩模型,研究了节理及围压条件下TBM滚动破岩过程。得到了节理对TBM滚刀破岩效率的影响,既可能是促进作用又可能是抑制作用,高围压对TBM滚刀破岩过程中裂纹的起裂及扩展和破岩深度有较大的影响。     

使用形状记忆合金的静态破岩机

利用最大形状恢复力可达７００ＭＰａ的钛镍形状记忆合金研制了一种新型的静态破岩机．这种破岩机由预压过的钛镍合金棒和一对双层楔形钢板构成，它除了加热装置外无需其它辅助设施。为了研究该破岩机的性能，用花岗岩和混凝土试件进行了室内试验并以位移非连续法（ＤＤＭ）完成了数值计算分析。结果证明，该破岩机性能良好并可控制裂纹的起始和扩展方向。     

电焊硬质合金刀齿破岩滚刀—当前最耐磨的新材质滚刀

竖井钻机目前已广泛用于大口径工程井及煤田竖井施工，其破岩滚刀的寿命直接影响施工效率和成本，因此，国内外都对提高破岩滚刀刀盼耐磨性作了大量的研究工作，我们经过十 余年的试验研究，研制出一种耐磨性极好的电焊硬质合金刀齿破岩滚刀，在破中破以下砂央的工况下，其使用寿命比进口的破岩滚刀高三倍。     

硬岩隧道高压气体膨胀破岩开挖试验

为了解决传统钻爆法在隧道工程中振动大的问题,引入一种新型破岩技术--高压气体膨胀破岩技术。通过在某隧道掌子面采用该技术进行现场试验,获得该技术试验时的振动速度值和试验后的破岩效果,将获得的结果与传统钻爆法得到的相应结果进行对比分析,结果表明,高压气体膨胀破岩技术在施工时产生的振动比钻爆法小,证明了将该技术应用在隧道工程中是可行的,解决了该隧道采用钻爆法施工振动风险大的问题,为类似工程破岩提供了一种新途径。     

模拟深井条件下的牙轮钻头单齿破岩试验

利用深井破岩试验装置，模拟了不同井深压力条件下对泥岩进行牙轮钻头单齿破岩试验，试验结果得出：随着井深的增加，岩石硬度增加，破碎岩的的力增加，石破碎体积减小，岩石破碎功增加，这是机械钻速低的根本原因，因此必须解决深井条件下的牙轮钻头齿形和布齿方式，以适应深井地层的钻井，达到提高机械钻速的目的。     

深部地层岩石力学性质测试与分析研究

采集川东北地区白垩系～二叠系地层岩石露头,利用国内现有设备开展常温与模拟地层环境条件下岩石力学性质测试与分析研究是解决我国南方海相复杂勘探区超深井钻井关键技术,即提高钻头破岩效率、钻井速度问题的急需。扼要介绍了试验研究目的意义与采集的岩样,简述了试验方案、试验装置、试样、试验获取的结果及试验数据的统计方法;详述依据统计结果进行深部地层岩石力学特征分析研究的方法和获取的相关定性定量结论,进行了基于超深井破岩的机制简要定性分析。通过测试与分析研究可知,岩石的力学性能直接与钻头的高效破岩密切相关。在温度、压力双重因素的作用下深部岩石力学性质产生的变化,致使以刮切破岩方式的钻头在深部地层破碎岩石更加困难,是超深井钻井速度不能大幅度提高的关键因素所在。通过试验与分析研究,获取了一整套在不同环境条件下岩石力学性能发生变化的定性、定量结论,将对深井、超深井钻井过程中钻头的高效破岩机制研究、新型钻头研制与选型提供技术支撑     

盾构切刀顺次破岩机制的数值模拟研究

在对盾构切刀顺次破岩实际工况提出合理简化的基础上,从岩土细观角度出发,采用颗粒离散元法建立了切刀破岩的二维数值模型,研究了两把盾构切刀顺次作用下的破岩机制和影响因素,并通过试验对切刀破岩过程中切屑堆积现象及破岩力学特性进行了验证。研究表明,刀具尖端的破坏作用最为明显;切削岩石时切削力随着切削行程不断波动,水平切削力大于垂直切削力;不同于单刀切削,切刀顺次作用时前刀刮过的岩面留下了大量残余裂纹,使得后刀所受的切削力减小;从切削性能来看,随着切削深度的增加,岩石破碎块度不断增大,切削力和裂纹数迅速增加,说明切深与切削力密切相关;切削试验观测到了切屑在前刀面堆积和切削力的波动现象,与数值模拟具有较好的一致性。     

电焊硬质合金刀齿破岩滚刀：当前最耐磨的新材质滚刀

竖井钻机目前已广泛用于大口径工程井及煤田竖井施工。其破岩滚刀的寿命直接影响施工效率和成本．因此，国内外都对提高被岩滚刀刀齿耐磨性作了大员研究工作。我们经过十余年的试验研究，研制出一种耐磨性极好的电焊硬质合金刀齿破岩滚刀，在破中硬以下砂岩的工况下，其使用寿命比进口破岩滚刀高三倍。     

Comparative Study on Rock Breaking Performances by Arc and Wedge TBM Hob with Two Blades

To compare the rock breaking performances caused by the arc and wedge hob with two blades, a rock cutting model with two hob blades is established and a series of rock cutting simulations are performed based on the particle flow code. Meanwhile, the rock breaking process, crack extension pattern, rock cutting force and rock cutting efficiency etc. are investigated in this study. The results present that the rock breaking area and the lateral crack length induced by the arc blades is much greater than that induced by the wedge blades. The optimal cutting spacing of the arc and wedge blades is 60 mm and 30 mm respectively. It confirms that the wedge blades can significantly reduce the rock cutting force and raise the rock cutting efficiency compared with the arc blades, which can provide a reference for the hard rock tunneling by the tunnel boring machine.

     

组合切削具产生的预破碎区对钻进效果的影响

从组合切削具将在岩石中产生预破碎区的论点出发,通过实验定量研究了预破碎区深度与掏槽刃切入深度的关系,得出了预破碎区有利于降低岩石强度及岩石破碎能耗的结论,并用生产试验结果进行了验证。提出了孕镶金刚石钻头钻进Ⅶ～Ⅷ级硬岩时仍存在预破碎区和切削、微切削破岩方式,以及预破碎区并非越大越好的学术观点。     

Numerical simulation of the fracture process in cutting heterogeneous brittle material

The process of cutting homogeneous soft material has been investigated extensively. However, there are not so many studies on cutting heterogeneous brittle material. In this paper, R‐T^2D (Rock and Tool interaction), based on the rock failure process analysis model, is developed to simulate the fracture process in cutting heterogeneous brittle material. The simulated results reproduce the process involved in the fragmentation of rock or rock‐like material under mechanical tools: the build‐up of the stress field, the formation of the crushed zone, surface chipping, and the formation of the crater and subsurface cracks. Due to the inclusion of heterogeneity in the model, some new features in cutting brittle material are revealed. Firstly, macroscopic cracks sprout at the two edges of the cutter in a tensile mode. Then with the tensile cracks releasing the confining pressure, the rock in the initially high confining pressure zone is compressed into failure and the crushed zone gradually comes into being. The cracked zone near the crushed zone is always available, which makes the boundary of the crushed zone vague. Some cracks propagate to form chipping cracks and some dip into the rock to form subsurface cracks. The chipping cracks are mainly driven to propagate in a tensile mode or a mixed tensile and shear mode, following curvilinear paths, and finally intersect with the free surface to form chips. According to the simulated results, some qualitative and quantitative analyses are performed. It is found that the back rake angle of the cutter has an important effect on the cutting efficiency. Although the quantitative analysis needs more research work, it is not difficult to see the promise that the numerical method holds. It can be utilized to improve our understanding of tool–rock interaction and rock failure mechanisms under the action of mechanical tools, which, in turn, will be useful in assisting the design of fragmentation equipment and fragmentation operations. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

金刚石超薄切割片制造方法研究

介绍了一种化学转化膜的制备及金刚石超薄切割片制造的工艺方法，列出了有关的配方和产品试验效果。     

盘形滚刀破岩过程的数值研究

为了研究全断面岩石掘进机盘形滚刀的破岩过程以及盘形滚刀的结构参数（刀刃宽、刀刃角）对滚刀破岩特性的影响,利用离散元方法建立岩石与盘形滚刀的二维数值模型,研究了滚刀侵入岩石过程中贯入度、切削力以及裂纹数三者的关系,在此基础上通过仿真得到滚刀结构参数与岩石破碎特性的规律。研究结果表明：裂纹的扩展与滚刀受到的切削力密切相关;破岩过程中切削力先增大后减小的循环模式,证实了岩石跃进破碎特性。在盘形滚刀作用下,岩石中的应力是向下、向四周无限扩展的对称的应力泡。滚刀刀刃作用区域,应力值最高,随着滚刀贯入度增加,最大应力减小;远离滚刀刀刃区域,应力呈应力泡形式逐层降低至0。选择滚刀刀刃宽在10～15 mm之间,既避免滚刀受到的推力过大,又能提高滚刀的破岩效率;岩石破碎以滚刀刀刃下方向下发展裂纹的扩展为主,刀刃角在10°～20°之间,既能减少滚刀的磨损又能提高破岩效率。     

激光辅助TBM盘形滚刀压头侵岩缩尺试验研究

为了验证高能激光技术能够辅助隧道掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)盘形滚刀（以下简称滚刀）实现高效破岩,以滚刀破岩过程中基本的运动形式——侵岩为研究对象,参照17 inch（432 mm）工程用滚刀,按1:8的比例制备了缩尺比例滚刀压头（以下引述为滚刀压头）,开展了以孔孔距（2、3、4、5 mm）、刀孔距（3、4、5、6、7 mm）为变量的激光辅助滚刀压头侵岩L20(4×5)正交试验以及无激光作用的对照组试验。试验研究结果表明：随着刀孔距的增加,滚刀压头的破岩量与岩石破碎块度均增加,而垂直力和比能耗均降低,最优刀孔距为6 mm;随着孔孔距的增加,破岩量、垂直力和岩石侵入难度系数均降低,而岩石破碎块度和比能耗均增加,最优孔孔距为3 mm。与传统滚刀回转滚压破岩方式相比,在激光辅助作用下,可促进岩石张拉裂纹的产生,提高了滚刀侵岩效率。所提出的激光辅助滚刀耦合破岩模式在未来TBM极硬岩层隧道掘进中具有一定的应用前景。     

复合岩层中滚刀旋转切割破岩效率试验研究

TBM掘进经常遇到复合岩层,在该地层中施工对滚刀破岩非常不利。为了提高掘进效率,降低工程造价,开展复合岩层滚刀破岩效率研究很有必要。鉴于此,采用滚刀岩机作用综合试验台对砂岩、花岗岩复合(复合比例为4(25) 6)而成的岩层进行5组刀间距下3种贯入度的3把滚刀同步旋转切割试验;试验过程中监测破岩总法向力、总扭矩,并分别收集两种岩石的岩渣进行筛分、称重;依据试验结果分析不同刀间距、贯入度下的法向力、扭矩及比能的关系。研究表明:不同刀间距时,平均法向力、平均扭矩随贯入度的增加而增大但两者的增加趋势不同,即平均法向力随着贯入度的增加几乎呈直线增大,而平均扭矩随着贯入度的增加其递增趋势减小;不同贯入度下存在不同的最优刀间距;砂岩、花岗岩切割轨迹长度比例为4:6时刀间距与贯入度的比值在14左右,破岩效率最高。