超声波辅助PDC切削齿振动破岩仿真分析

PDC钻头在软至中硬地层钻进时具有钻速高、使用寿命长、设计灵活等显著优点,在钻井领域中的需求量逐年增加。而超声波钻进作为一种新型碎岩技术,由于在钻进过程中具有穿透能力强、钻进效率高等优点而获得了广泛关注。以超声波振动辅助PDC钻头破岩有望取得良好的钻进效果。为此,基于线型Drucker-Prager模型,利用ABAQUS软件建立了超声波辅助PDC钻进振动切削岩石的二维有限元模型,分析了不同超声波振动频率下PDC钻进破岩比功和切削力的变化规律,比较了超声波振动切削与常规切削岩屑形成过程的差异。研究结果表明,当激励频率从20 kHz至40 kHz增长的过程中,破岩比功与平均切削力都呈现先减少后增加的变化趋势,即存在一个最优频率位于25~30 kHz间,使破岩比功最小,钻进效率最高;超声波辅助振动切削的破岩方式与常规切削的塑性破坏不同,主要以脆性破坏为主,其切屑形成过程共分为4个阶段,且切削力保持为零的阶段较常规切削更为明显;当激励频率接近岩石固有频率时,超声波振动切削的平均切削力较常规切削小20.5%,并更易产生大块岩屑,使岩石产生更多体积破碎,从而提高破岩效率。     

基于离散元的超声波振动辅助TBM滚刀碎岩分析

超声振动辅助碎岩技术以其弱化岩石强度、降低切削力、加快钻进速度等优势受到广泛关注,将超声振动技术与滚刀结合,能有效提升隧道硬岩施工滚刀破岩效率。采用颗粒流离散元软件对超声波振动辅助滚刀碎岩过程进行了模拟研究,结果表明,超声波振动能够产生周期性应力波并向岩石内部传播,在岩石的近表面区域出现较强的拉应力,有助于浅层岩石的张拉破坏。超声波振动提升了岩石内部裂纹的生成规模,加快了裂纹的生成速度,提前了裂纹初次萌生时间,对滚刀的破岩性能有良好的增益效果。超声波振动下岩石裂纹生成更加平稳,减少了跃进式破碎现象,能够避免因剧烈振动产生的冲击载荷对滚刀产生异常磨损和破坏,对延长滚刀寿命具有促进作用。     

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。     

岩体强度对牙轮单齿作用下破碎坑的体积及形态影响研究

借助连续-非连续单元法(CDEM),对牙轮钻单齿压入破岩的机制进行了探讨,研究了加载过程中破碎体积及破碎坑的演化规律,分析了岩体凝聚力和内摩擦角对单齿破岩体积及破碎坑形态的影响。数值计算结果表明,破碎坑基本上呈半椭球体,其宽深比仅受内摩擦角控制,随着内摩擦角的增加,破碎坑的宽深比减小。破碎坑的宽度、深度及单齿破岩体积可用齿压F、钻齿半径r、凝聚力c及内摩擦角? 表征,基于数值计算结果给出了破碎坑的宽度、深度及单齿破岩体积定量表述的公式;基于相关理论公式,考虑各个同时与岩石接触的几个齿轮对岩石的损伤是相互影响的,引入单齿破岩体积的修正系数,建立了牙轮钻的工作参数（轴压、转速、进尺速度等）与岩体凝聚力及内摩擦角的函数关系。在鞍千矿南采区进行了牙轮钻随钻测试的现场试验,获得了不同岩性下的单齿破岩体积,并就近取样测试了岩体的凝聚力及内摩擦角。当修正系数取0.363时,现场测试结果与基于数值计算得到的单齿破岩体积基本一致,从而证明了数值计算及相关理论推导的正确性。研究成果可以为岩体强度的动态测试提供依据。     

块系岩体滑移失稳中低摩擦效应的理论与试验研究

深部岩体具有块状层次结构,深部动载造成岩块发生相互间的振动脱离产生低摩擦效应,从而极易诱发原先处于平衡状态的岩体的动力变形破坏。在前人研究基础上,将块系岩体振动简化为等效质量-黏弹性模型,引入岩石摩擦滑移速率弱化模式,最终得到块系岩体滑移失稳计算模型。通过计算分析块系岩体自身特性及外荷载特性对岩块间低摩擦效应的影响。理论计算表明：水平静力及外扰动保持不变,增大岩块间弹性系数或者减小黏性系数,更容易引发岩体低摩擦滑移。随着冲击扰动、水平拉力幅值的增加,岩块的水平残余位移量值增加,当它们幅值超过一临界值时,岩块发生自持续滑移失稳运动。冲击扰动诱发岩块间不可逆位移、动力滑移失稳的临界能量与剪切力水平密切相关,在较大的剪切内力条件下,极其微弱的动力扰动即可诱发较大的岩块间不可逆位移甚至岩块的动力滑移失稳,随着剪切内力的减小,诱发岩块滑移失稳的能量阈值不断增大,当剪切内力低于岩块动摩擦强度时,单次冲击扰动只能诱发岩块间的不可逆位移。初步开展扰动诱发含初应力紫砂岩块体滑移试验,试验结果与理论计算基本符合,证明该模型的可行性。     

块系岩体滑移失稳中低摩擦效应的理论与试验研究

深部岩体具有块状层次结构,深部动载造成岩块发生相互间的振动脱离产生低摩擦效应,从而极易诱发原先处于平衡状态的岩体的动力变形破坏。在前人研究基础上,本文将块系岩体振动简化为等效质量-粘弹性模型,引入岩石摩擦滑移速率弱化模式,最终得到块系岩体滑移失稳计算模型。通过计算分析块系岩体自身特性及外荷载特性对岩块间低摩擦效应的影响。理论计算表明:水平静力及外扰动保持不变,增大岩块间弹性系数或者减小粘性系数,更容易引发岩体低摩擦滑移。随着冲击扰动、水平拉力幅值的增加,岩块的水平残余位移量值增加,当它们幅值超过一临界值时,岩块发生自持续滑移失稳运动。冲击扰动诱发岩块间不可逆位移、动力滑移失稳的临界能量与剪切力水平密切相关,在较大的剪切内力条件下,极其微弱的动力扰动即可诱发较大的岩块间不可逆位移甚至岩块的动力滑移失稳,随着剪切内力的减小,诱发岩块滑移失稳的能量阈值不断增大,当剪切内力低于岩块动摩擦强度时,单次冲击扰动只能诱发岩块间的不可逆位移。初步开展扰动诱发含初应力紫砂岩块体滑移试验,试验结果与理论计算基本符合,证明该模型的可行性。     

块系岩体滑移失稳中低摩擦效应的理论与试验研究

深部岩体具有块状层次结构,深部动载造成岩块发生相互间的振动脱离产生低摩擦效应,从而极易诱发原先处于平衡状态的岩体的动力变形破坏。在前人研究基础上,本文将块系岩体振动简化为等效质量-粘弹性模型,引入岩石摩擦滑移速率弱化模式,最终得到块系岩体滑移失稳计算模型。通过计算分析块系岩体自身特性及外荷载特性对岩块间低摩擦效应的影响。理论计算表明:水平静力及外扰动保持不变,增大岩块间弹性系数或者减小粘性系数,更容易引发岩体低摩擦滑移。随着冲击扰动、水平拉力幅值的增加,岩块的水平残余位移量值增加,当它们幅值超过一临界值时,岩块发生自持续滑移失稳运动。冲击扰动诱发岩块间不可逆位移、动力滑移失稳的临界能量与剪切力水平密切相关,在较大的剪切内力条件下,极其微弱的动力扰动即可诱发较大的岩块间不可逆位移甚至岩块的动力滑移失稳,随着剪切内力的减小,诱发岩块滑移失稳的能量阈值不断增大,当剪切内力低于岩块动摩擦强度时,单次冲击扰动只能诱发岩块间的不可逆位移。初步开展扰动诱发含初应力紫砂岩块体滑移试验,试验结果与理论计算基本符合,证明该模型的可行性。     

TBM滚刀破岩过程影响因素数值模拟研究

全断面岩石掘进机（TBM）的破岩效率主要受刀盘设计和岩体特征的影响。采用颗粒流方法建立了岩石试件与滚刀的数值模型,对TBM滚刀破岩过程的影响因素进行了分析。研究表明,单刃滚刀交替作用下强度较低的岩石中易形成规则的张拉裂纹而生成较大岩碴;强度较高的岩石中滚刀的侧向挤压促使形成块度较小的片状岩碴;双刃滚刀作用下岩石表面受到强烈挤压后出现较大的拉应力,使岩石更易破碎,且仅在强度较高的岩石中才易形成透镜状岩碴。滚刀破岩过程中存在能耗最小的最佳间距,该最佳间距随着岩石强度的增大而减小。滚刀破岩过程中,结构面对裂纹扩展具有显著的控制性作用,并阻隔损伤向结构面下的岩石中渗透;随着结构面与滚刀侵入方向夹角的减小,结构面将引导裂纹向岩石深部扩展,而当夹角较大时,结构面则会引导裂纹横向扩展,易导致大块岩碴的形成     

基于岩石损伤本构的破碎比功评价模型研究与应用

由于钻头上的牙齿在油气井中是连续破碎岩石的,而传统破碎比功仅能评价牙齿单次加载的破岩效率,不能评价和预测牙齿二次加载及连续加载的破岩效果。基于ANSYS自定义损伤本构的二次开发,建立了试验和仿真的二次破碎比功和总破碎比功模型。选用单齿单次压入破岩工况,结合试验和理论计算验证了损伤本构模型和数值仿真方法的正确性,最后利用二次开发的损伤本构模型对单齿一次、二次和连续总的破碎比功进行了分析。结果表明,基于损伤本构的破碎比功评价模型能够准确地预测二次破碎及连续破碎的效果,且随着载荷增加破碎比功缓慢下降,与单齿一次破碎比相比,在同一处的二次破碎及连续两次破碎的破碎比功将分别减小约80%和60%。     

岩体中应力波幅值随时空衰减的关系

把岩石抽象为Kelvin-Voigt黏弹性体,应用复数理论建立了应力波在岩石中传播时的振动频率和波动频率的关系,在此基础上,研究了岩石和含有一组平行结构面的岩体中应力波幅值随时间和随空间衰减的关系。研究表明,应力波在岩石的传播过程中,频率是影响应力波幅值衰减的的主要因素;应力波在含有1组平行结构面岩体的传播过程中,由于结构面的存在,影响了应力波能量的传播,其幅值随时空衰减系数主要由结构面间距及其反射系数决定,结构面间距减小和反射系数增加,幅值随传播距离的衰减系数增加和随时间的衰减系数减小,而结构面的黏性系数增加,幅值随传播距离的衰减系数增加,但随时间的衰减系数变化很小。上述结论对岩体结构探测具有重要的指导意义。     

单齿冲击作用下破岩机制分析

研究牙齿冲击下破岩机制是提高冲旋破岩效率的理论基础,目前对牙齿低速冲击下的岩石力学研究主要集中在仿真和试验,因此,有必要研究牙齿低速冲击下的破岩机制。首先分析了单齿冲击下岩石破碎坑的形貌,提出了分区建立物理模型和力学模型。考虑到单齿冲击的低速条件和岩石围压效应,得到修正的球形空腔膨胀理论,推导了岩石破碎坑的密实区、开裂区、弹性区3个区域的应力与位移解析解。利用Matlab对各区域解析解进行数值求解,得到了围压、质点运动速度以及岩石物理性质参数等对破碎坑各区域无量纲应力和位移变化的影响,采用仿真试验验证结果的正确性。该模型不仅解释了岩石破碎坑的形成,而且也提供了一种分析牙齿冲击破岩力学模型。     

全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理的有限元分析

针对坚硬地层破岩效率低、钻具粘滑振动造成钻头寿命降低等问题,通过ANSYS有限元分析软件对全尺寸钻头复合冲击破岩机理进行研究。分析了冲击频率、钻压和转速对钻头破岩效率的影响,通过分析发现钻头破岩过程中,岩石内部既存在拉应力,也存在压应力,岩石破坏表现形式为“拉伸+压剪”的综合作用破坏。研究得出在扭转冲击频率为25 Hz条件下,此时轴向冲击的最佳频率为13 Hz,在这2种冲击频率的配合下机械钻速最快;钻压对机械钻速影响较大,两者呈线性正相关关系,并回归出有无冲击载荷条件下钻头机械钻速与钻压的变化关系式;转速对机械钻速的影响较小,两者呈微增趋势,分析认为是坚硬岩层使PDC钻头变切削为研磨状态导致机械钻速变化不大;复合冲击在地层钻进中能明显提高机械钻速。全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理研究对于钻进效率的提高和复合冲击技术的发展具有重要意义。      

全断面岩石掘进机滚刀最优刀间距计算公式研究

基于剪切与张拉破岩机制,提出拉剪综合失效机制假设;建立了非协同切削与协同切削体积模型,推导了协同切削模式的滚刀比能耗理论模型;通过离散元仿真得到滚刀侵入岩石裂纹长度与贯入度的映射关系;推导出滚刀最优刀间距理论公式;以全断面岩石掘进机（TBM）回转切削试验台为基础,水泥模拟料为切削对象,通过多次压痕试验得到滚刀贯入度和岩石裂纹长度的趋势曲线,验证了仿真结果;通过滚刀滚动破岩进行了12组不同贯入度与刀间距的物理切削试验,统计滚刀做功与岩石破碎体积,拟合得到比能耗关系曲线,验证了最优刀间距理论公式的结论。研究表明：TBM滚刀最优刀间距计算公式综合考虑了岩石特性与滚刀结构特性,适应性较广泛;刀间距超过滚刀协同工作距离时,滚刀破岩以剪切破碎为主;刀间距小于2倍岩石裂纹长度时,张拉破碎的影响更加明显;随着贯入度的增加,最优刀间距逐渐增大,而最优滚刀间距S与贯入度P之比（S/P）值则逐渐减小。     

基于单柱齿破岩过程的高压液动冲击回转钻进试验研究

针对煤矿井下穿层钻孔硬岩钻进效率低的难题,基于冲击回转钻进机理和Wassara高压液动冲击器主要特点,分析柱齿在冲击荷载下形成的破碎坑形态,并将其划分为崩解区、密实区、开裂区和弹性区。在此基础之上,对柱齿连续破岩的大间隔冲击和小间隔冲击2种情况进行过程分析,结合淮南潘三矿现场试验条件讨论高压液动冲击回转钻进工艺参数,优选高压液动冲击回转钻进配套钻机、冲击器、钻杆、钻头和清水泵,及主要技术参数。试验结果表明:当清水压力在15 MPa以上时,高压液动冲击回转钻进的平均机械钻速为24.67 m/h,与采用该技术之前的8.48 m/h机械钻速相比提高了约1.9倍;并采用回归分析拟合得到机械钻速与水压之间的线性关系,经过数理统计的F检验,F=8.82大于F_0.05(1,7),验证了回归结果是显著的,机械钻速随水压的增大而线性增大。高压液动冲击回转钻进技术可有效提高煤矿井下硬岩层钻进效率,保障煤矿安全高效生产。      

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。     

钻头破岩振动低频特征室内实验研究

钻头破碎岩石时会产生宽频的振动信号,不同频段的信号蕴含了不同的信息,由于高频段信号能量低、衰减大,不易检测,因此,就钻头破岩信号在低频段特征进行了研究,通过不同岩性岩样的微钻实验数据分析,发现破碎不同岩性的岩石产生的信号在低频段具有固定的频率特征。     

新型广谱金刚石破碎岩石工具的研制

新型广谱金刚石钻头由钻头钢体和金刚石刀头组成。金刚石刀头由若干含金刚石孕镶层和纯合金层相间组成，该新型金刚石头破碎岩石是以金刚石破碎为主，以破碎穴效应为辅的方式进行的。     

基于新表面理论的TBM破岩效率评价指标

岩碴是岩-机作用的直接产物,也是评价隧道掘进机（TBM）破岩效率和优化TBM掘进参数的有效指标。依托兰州水源地建设工程和龙岩万安溪引水工程,开展不同岩性条件下TBM岩碴筛分试验,得到了岩碴粒径分布规律。基于新表面理论,从滚刀破岩能量转化角度出发,提出了一种新的TBM破岩效率评价指标。基于岩碴粒径分布规律和TBM掘进参数统计,探讨了新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数之间的关系,指出了新表面理论指标在反映岩碴破碎程度和评价TBM破岩效率方面的优势。对新表面理论指标与TBM掘进推力以及刀间距s与贯入度p的比值进行回归分析,得到了硬岩（围岩等级为Ⅱ级）和软岩（围岩等级为III级）掘进条件下的TBM最优掘进推力和s/p取值区间。研究表明：（1）新表面理论指标符合岩石破碎学原理,可准确评价TBM破岩效率。岩碴越是破碎,新表面理论指标越大,掘进能耗越高,此时TBM破岩效率相对较低。（2）新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数均具有良好的线性相关关系。岩碴越是破碎,破碎单位体积岩石的能量消耗越大,新表面理论指标越大,对应的粗糙度指数越小。软岩掘进条件下TBM掘进比能低于硬岩,而岩碴破碎程度高于硬岩。（...     

锥形聚晶金刚石复合片齿破岩特征与机制研究

锥形聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)齿是一种具有较强抗冲击性和耐磨性的新型PDC齿,在坚硬、强研磨性和软硬交错地层中取得了非常好的钻井提速效果。为了揭示锥形齿破碎硬岩机制,开展锥形齿破碎花岗岩试验与数值模拟研究,分析了切削深度和前倾角对锥形齿切削力和破岩比能的影响规律,采用高速摄像机和透明K9玻璃观测了锥形齿作用下岩屑形成过程及微裂纹萌生与扩展过程,通过数值模拟分析了破岩过程中岩石应力响应与损伤演化特性,结合对切削槽和大尺寸块体岩屑表面形貌及断口微观特征分析,建立了锥形齿破碎花岗岩机制模型。结果表明,锥形齿破碎花岗岩的过程可以分为挤压成核和块体崩裂两个阶段,前倾角对岩石破碎过程影响较小,切削深度的影响显著;锥形齿周围的裂纹主要由压实核、纵向裂纹和横向裂纹组成,纵向裂纹和横向裂纹扩展的最大深度分别为切削深度的6.69倍和4.53倍;齿尖周围压应力集中,岩石发生压剪破坏,压应力区外围形成弧形条带状拉应力区,并在齿尖及压应力区边界处诱导出拉伸微裂纹;微裂纹向齿前扩展形成弧形拉伸主裂纹,发生块体岩屑崩裂,提高破岩效率,向岩石内部扩展劣化...     

超声波振动下不同应力条件对岩石强度影响的试验

振动有助于碎岩,以往关于振动碎岩机理的研究大多在低频率段展开。为填补超高频率段下振动碎岩机理的空白,采用单轴动静组合加载模式,开展了超声波振动下不同应力条件对岩石强度影响的试验研究,其中超声波振动频率为20kHz,预压范围为100～500N。研究结果表明:当预压小于200N时,岩石内部应力状态无法满足强度准则,岩石强度下降不明显;当预压大于等于200N时,岩石强度随振动时间的增加而逐渐降低且存在最优预压力值(400N)使得岩石强度最低。缩短振动频率与岩石固有频率的差值有利于提高超声波振动碎岩效率。