高压水射流破岩规律的数值模拟研究

运用动态非线性有限元法和Hoffman破碎准则,研究了高压水射流破碎岩石的规律,提出了高压射流破碎岩石过程分为射流冲蚀破碎和锤冲破碎及两个临界压力的概念。研究结果表明,提高射流冲击速度、喷射直径、横移速度、射流束数,在35°至40°之间合理选择射流入射角可以提高射流破碎岩石的效率。     

高压水射流射孔过程及机理研究

采用非线性动力有限元法和岩石动态损伤模型对高压水射流射孔过程及机理进行了模拟研究,并依据所给出的岩石孔隙度演化模式,分析了高压水射流射孔对岩石渗透性的影响。结果表明,高压水射流具有很强的破岩能力,卸载及射流冲击所产生的拉伸破坏是水射流破岩的主要形式,受岩石损伤发展的影响,随着与孔眼轴线距离的减小,岩石的孔隙度逐渐增大,而岩石的强度则呈减小趋势。分析结果首次从定量层面揭示了高压水射流射孔优于现有聚能射孔的机理。     

空化水射流破碎岩石的机理研究

在不同泵压和淹没压力条件下,针对不同类型的空化喷嘴,对空化水射流的空泡云特性和破碎岩石机理进行了一系列实验研究,探讨了空化水射流的空泡云与冲蚀能力之间的相互关系。优化空化喷嘴结构和工作条件以减小泵压,从而降低输入能量。空泡云的可视化研究显示缩放形喷嘴产生的空化云的长度和宽度比收敛形喷嘴的大。研究表明,空化水射流切割破碎岩石主要是由空泡的溃灭引起的,空泡云的长度等于靶距与切割深度之和;在切割破碎岩石时冲蚀效果只在开始几秒内发生,冲蚀深度并不随时间而增大。     

水中丝爆等离子体破岩机理研究

在隧道开挖、矿山开采等基础工程建设中,岩石爆破技术发挥着重要作用。等离子体碎岩技术具有无污染,破碎过程中无飞石、无有害气体的产生,使用方便,作业效率高,是替代炸药碎岩的最有效可行的方法。本文研究了水中丝爆产生等离子体破碎岩石的机理,分析了高电压脉冲放电过程中的铜丝融化过程,建立了铜丝在各阶段变化的电阻模型,利用MATLAB对不同阶段放电电路的电流进行了数值仿真分析,并与实验得到的电流波形进行对比。研究发现,电流波形,上升沿时间越短,脉冲放电效果越好。铜丝变化产生等离子体的过程中,等离子体通道具有一定的电阻性。实验数据结果与模型数值计算结果基本相符。     

大线速度下超高压水射流破岩试验研究

高压水射流的破岩效果对高压水射流辅助掘进机破岩技术至关重要。为提升隧道掘进机工况下高压水射流辅助破岩的效率,开展大线速度下超高压水射流破岩试验,分析喷嘴移动线速度、射流压力和喷嘴直径对破岩效果的影响规律,并探究加磨料和射流形式对破岩效果的影响。试验结果表明,随喷嘴移动线速度增加,高压水射流的切割深度和切割宽度均近似线性减小;随射流压力增加,切割深度近似线性增大,压力从200 MPa提高到280 MPa,切割深度增加了72%～82%;喷嘴直径从0.35 mm增大到0.60 mm,切割深度增加了60%～85%。大线速度下加磨料后射流变发散,加磨料的切割深度小于纯水的切割深度,加磨料的切割宽度大于纯水的切割宽度。砂管束流射流模式的能量利用率更高,砂管束流的切割深度比长线射流的切割深度大35%～42%,砂管束流的切割宽度比长线射流的切割宽度大78%～85%。基于Crow切割岩石理论,通过试验数据回归分析,得到大线速度下超高压水射流切割深度半理论半经验预测模型,可为高压水射流辅助掘进机破岩技术中射流切割参数优化提供参考依据。研究成果对提升隧道掘进机工况下超高压水射流辅助破岩的效率是很有意义的。     

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。     

粒子重复冲击破岩细观损伤及破碎特征试验研究

粒子冲击破岩作为一种新型辅助破岩技术已在钻探和油气开采等领域得到有效运用,其在极坚硬岩层中隧（巷）道辅助掘进方面具有广阔的应用前景。从试验角度研究了粒子的冲击次数、颗粒强度及冲击速度等因素对极坚硬花岗岩表面冲击坑损伤破碎特征的影响,对冲击坑三维形貌、岩石碎屑及坑内矿物破碎特征进行了定量分析。结果表明：成坑最大深度随冲击次数增加呈抛物线趋势增大,而成坑体积和坑顶面积随冲击次数增加呈线性增长;成坑体积随冲击速度呈先增大后减小的规律,该临界冲击速度约为82.5 m/s;冲击坑中心与外部的细观破碎机制差异导致岩石碎屑平均尺寸具有明显的双峰特征。从能量角度分析发现,成坑体积、坑顶面积和最大深度随粒子动能在双对数坐标系下线性增长。基于图像处理方法获得了冲击坑周边主要矿物内部裂纹分布随冲击速度和次数增加的分形维数变化规律。破岩效果表明,增大粒子冲击速度和冲击次数能有效扩大岩石冲击坑的损伤范围,但冲击速度的影响程度显著大于冲击次数。     

现代破岩方法综述

随着现代科学技术的发展 ,岩石破碎的方法和技术出现了一些新的发展趋势。一般地 ,破岩方法可分为机械能破岩和热能破岩 2种。介绍了几种现代破岩方法等离子体破岩、电子束破岩、激光破岩、微波破岩、热力综合破岩、射弹冲击破岩 ,以及它们的特点。     

水射流破碎南海含水合物沉积物数值模拟研究

为研究高压水射流切割、破碎南海天然气水合物储层的过程,采用著名的LS—DYNA显示动力分析有限元程序,对淹没状态下,水射流破碎海底含水合物沉积物过程进行数值模拟研究,研究了不同射流速度对高压水射流作用下含水合物沉积物破碎效果的影响规律。随着射流速度的增大,冲蚀深度逐渐增大,两者呈线性递增关系。含水合物沉积物冲蚀体积是轴向冲蚀与径向冲蚀共同作用的结果,射流速度越大,对含水合物沉积物的轴向与径向冲蚀作用增强,加大了含水合物沉积物冲蚀体积递增速率。     

遗传算法在边坡抗震稳定性分析中的应用

根据遗传算法的思想和拟静力瑞典法基于圆弧滑动面的假定，提出一种用遗传算法搜索最危险滑动面及其对应的最小安全系数的方法。该方法模拟了生物遗传进化过程，克服了传统方法容易陷和局部极小值的缺点，是一种全局优化算法。并通过一个工程实例对其进行了验证。     

地震加速度动态分布及对高土石坝坝坡抗震稳定的影响

《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073-1997）建议的土石坝地震加速度动态分布系数适合于150 m以下的土石坝,而前许多土石坝的设计高度已远大于150 m。与低坝相比,高坝受地基刚性的约束减弱,坝体的自振周期延长。在坝体地震反应中,高阶自振周期与地震卓越周期耦合的机率增大,高阶振型的振动易被激发放大,从而导致坝体地震加速度沿坝高的分布与低坝有所不同。据此,采用有限元法研究了高土石坝的加速度分布,提出了高于150 m土石坝的地震加速度动态分布系数图示。在此基础上,利用堆石材料的非线性强度准则,对高度超过150 m的土石坝坝坡抗震稳定性作了进一步的分析,得出随着坝体地震加速度动态分布系数的降低,坝坡临界破坏的安全系数有所提高。     

并行组合模拟退火算法在边坡稳定分析中的应用

采用自适应有限元法分析边坡的应力场,然后应用并行组合模拟退火算法建立基于应力场的边坡任意形状临界滑动面的全局搜索方法。该方法适用于任意几何形状,不同岩土材料分层以及多种荷载作用的复杂边坡。并行组合模拟退火算法是将模拟退火算法和遗传算法相结合的优化算法,它可以从多个初始点开始并行寻优,能以较快的速度找到全局最优解。通过工程实例分析,证明这种基于自适应有限元分析和并行组合模拟退火算法搜索边坡临界滑动面的方法可行、高效。     

遗传算法在边坡地震稳定性分析中的应用

基于遗传算法和拟静力简化毕肖普法提出搜索地震作用下最危险滑动面及相应的最小安全系数的方法。阐述了应用遗传算法搜索最危险滑动面的计算过程和原理。开发了基于遗传算法的拟静力简化毕肖普数值法的计算和数据处理程序。在固定一个出逸点的情况下,分别绘制了有地震作用及没有地震作用下的安全系数分布图。数值算例表明,所建立的基于遗传算法的岩土边坡地震稳定性分析方法,是一种全局优化搜索算法,能够有效克服经典搜索方法易陷入局部极小值的缺点。从安全系数分布图可以看出,地震对安全系数分布情况影响很小,但扩大了安全系数低值区。     

顺层边坡稳定性及可靠度的随机有限元分析法

阐述了基于摄动法的随机有限元基本原理,采用以均值为中心的2阶摄动随机有限元,运用局部平均的空间离散方法,对顺层边坡的应力场进行了2阶统计均值、协方差和方差的分析,并结合顺层边坡沿软弱夹层滑动的破坏特征,推导了基于Mohr-Coulomb准则的顺层边坡整体稳定的安全系数和可靠度的计算表达式。结合典型顺层岩质路堑边坡工程实例,采用摄动随机有限元法进行了边坡稳定性和可靠度的分析计算。结果表明,文中介绍的摄动随机有限元法可以考虑多种随机变量对边坡系统的影响,可同时采用安全系数和可靠度作为边坡稳定性的评价指标,判定结果更为准确和全面。     

重度增加法在某公路边坡稳定性分析中的应用

基于D-P准则,采用关联流动法则,用非线性有限元重度增加法对一非均质不规则公路边坡进行了分析。其原理是保持粘聚力c及内摩擦角φ不变,通过逐步增加土体重度的方法使土体达到临界状态。采用坡顶水平位移随重度增加系数变化的关系曲线上位移陡然增大作为边破的破坏标准。有限元重度增加法事先无须对滑动面的位置和形式做出任何假定,同时考虑了土体的材料非线性和几何非线性,因此利用二维有限元重度法能更好地模拟土坡的破坏,有助于了解土坡的破坏机理。其结果不仅对工程实践具有指导作用,而且对研究土体的破坏机理,探索分析边坡稳定的适用计算方法都有现实意义。用重度增加法得到的安全系数与传统方法的误差在9%左右,因此重度增加法可以用于边坡稳定分析。     

边坡稳定可靠度分析的并行随机有限元方法

将Monte-Carlo随机方法与并行有限元方法结合,设计了基于PC机群的并行随机有限元算法,每一次随机模拟产生一个随机场,作为一个样本,代入有限元进行稳定性计算,发挥并行有限元计算量大、计算速度快的特点,克服了Monte-Carlo方法计算时间长的缺点。用C++语言结合MPI消息传递接口开发了相应的计算软件,计算了1 000个随机样本的边坡可靠度问题,验证了程序的可靠性及高效性。     

改进遗传算法在坝基帷幕灌浆方案优化中的应用

以一般基岩上的混凝土重力坝为例,采用改进的遗传算法对坝基有排水时的帷幕灌浆参数组合进行优化研究。根据帷幕的厚度进行单元网格剖分,用有限元数值方法计算渗流场,以坝基渗流量、坝基渗透压力和幕体本身的最大水力坡降不超过允许值为约束条件,以帷幕的工程造价最小为目标函数建立优化设计数学模型,寻找一般情况下的帷幕参数的最优组合,为工程设计提供参考依据。     

改进遗传算法在坝基帷幕灌浆方案优化中的应用

以一般基岩上的混凝土重力坝为例,采用改进的遗传算法对坝基有排水时的帷幕灌浆参数组合进行优化研究.根据帷幕的厚度进行单元网格剖分,用有限元数值方法计算渗流场,以坝基渗流量、坝基渗透压力和幕体本身的最大水力坡降不超过允许值为约束条件,以帷幕的工程造价最小为目标函数建立优化设计数学模型,寻找一般情况下的帷幕参数的最优组合,为工程设计提供参考依据.     

水力和超载条件下锚固岩石边坡动态稳定性拟静力分析

基于极限平衡理论,综合考虑水力条件、坡顶超载、地震荷载效应和锚固效应对岩石边坡进行了全面的稳定性分析。计算给出了多影响因素条件下岩石边坡稳定性安全系数的表达式,并重点分析了几种相关参数组合对岩石边坡稳定性的影响。分析表明,坡顶张拉裂缝积水、地下水渗流作用、滑面出流缝被堵塞、地震影响效应不利于岩石边坡抗滑稳定性,而锚索锚固效应则对提高边坡抗滑稳定性有积极作用;坡顶张拉裂缝积水、滑面出流缝被堵塞、水平向地震影响效应都不利于岩石边坡抗倾覆稳定性,但锚索锚固效应、坡顶超载、与竖直方向地震效应则对提高边坡抗倾覆稳定性有益。最后针对工程实际,提出了相应的工程建议。