苏联水力、热力和电物理法破碎岩石会议

1961年5月在A.A斯阔成斯基矿业研究所召开了岩石的水利、热力和电物理法破碎会议。会议指出,近些年来对水枪射流运动、分解及结构的研究为解决水力冲采和水力机械设计问题提供了更多的依据,正在创造新的高效率的细高压射流冲采法,研究岩石的脉冲射流破碎。已研究出几种射流压力超过1000—2500工程大气压的脉冲装置,用它甚至可破碎坚硬岩石,会议指出了今后改进岩石水力破碎方法的途径,为提高冲采效率,应创造遥控的和程     

高压水射流破岩动态过程的数值研究

采用动力接触法建立了高压水射流破碎岩石过程的计算模型。应用动力瞬态非线性有限元法,对射流冲击岩石时射流冲击动载的变化、岩石破碎区域的扩展过程进行了数值研究。并对非线性动力冲击有限元数值求解的几种方法做了讨论。     

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。     

淹没水射流关键参数对天然气水合物沉积物冲蚀体积的影响规律研究

高压水射流技术具有工作介质来源广泛与环保等优点,能够用于海底天然气水合物储层破碎。本文运用LS-DYNA有限元程序对淹没状态下高压水射流对海洋天然气水合物沉积物破碎过程进行数值模拟,研究了射流速度、喷嘴直径、靶距、入射角度四项关键参数对含水合物沉积物冲蚀体积的影响,得出以下主要结论：含水合物沉积物产生破碎需要满足射流速度大于临界流速;随着射流速度的增加冲蚀体积逐渐增大;喷嘴直径的增加会导致沉积物径向冲蚀体积的增大,从而使总体冲蚀体积增大;靶距的增加会使水射流在水域运动过程中能量损失增大,导致冲蚀体积的减小;在喷嘴入射角度增大过程中冲蚀体积将会先增大后减小最后趋于稳定,当入射角度为10°时冲蚀体积能够达到最大值。     

基于COMSOL的高压放电破碎岩石仿真研究

常规旋挖钻机在钻进硬岩地层钻孔桩时存在进尺困难,钻头磨损大等问题。高压脉冲放电岩石破碎技术作为一种新型非机械式岩石破碎技术,在硬岩钻进领域具有广阔的应用前景。本文在分析高压脉冲放电破碎岩石机理的基础上,运用COMSOL Multiphusics软件,建立电-热-力多物理场耦合模型,开展花岗岩和砂岩在电压、电极间距、电解质等条件下的破碎规律仿真研究。结果表明,随着电压的增大,岩石产生的破碎区域呈线性增大;电极间距的增大导致岩石破碎区域减小;液体介质的电导率大小对放电结果的影响不大;选用多电极对放电可有效增加岩石的破碎面积。研究结果可为高压放电破碎岩石技术提供参考。     

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。     

点状聚能射流侵彻岩石的超动态试验研究

为了揭示聚能爆炸射流切割和破碎岩石的内在一般规律 ,利用超动态应变试验测试了岩石在点状聚能射流作用下的受力情况。试验表明 ,岩石在聚能射流作用下 ,除射流直接作用处为射流冲击、高温融熔破坏外 ,其整体破坏以切向拉伸破坏为主。另外 ,炸高、岩石是否受约束均会对聚能射流侵彻岩石的效果产生显著影响。     

基于Selfrag高压电脉冲放电破岩试验的仿真模拟

高压电脉冲破岩在高温等离子弧的作用下,产生的热应力超过岩石的强度极限时就会使岩石破碎,其破碎坚硬岩石有显著效果。为研究电压、岩石矿物成分、孔隙率3个参数对岩石内电场强度分布的影响,本文基于Selfrag高压电脉冲破岩的试验数据,利用COMSOL Multiphysics仿真软件建立了一种针针电极结构仿真模型。结果表明,施加的电压不同,岩石内部电场强度分布不同;电场在不同矿物成分边界发生畸变,不同矿物成分相对介电常数变化越大,产生畸变越明显,高压电脉冲破碎优先发生在不同矿物成分的接触面;岩石内孔隙的存在,使其周围的电场发生了畸变,其他参数一定,孔隙率越大,岩石越容易被电击穿。研究结论可为高压电脉冲钻井破岩参数的选取提供参考。     

高压射流钻进工艺试验

在钻井过程中受松散覆盖层、强富水含水层、裂隙发育等多种复杂地质条件影响,常规钻井钻进效率较低、井壁稳定性较差,为提高钻进效率,结合国家重点研发计划项目重点对高压射流钻进工艺进行了研究,高速射流的水力能量迅速破坏土体结构,同时冲刷钻头,有效净化孔底环境,避免岩屑重复破碎。试验重点研究泵排量、喷嘴尺寸等对孔底压力和机械钻速的影响,通过工程试验发现合适的喷嘴直径配置是提高机械钻速的关键因素,利用高压射流钻进工艺可以提高钻进机械钻速,有效解决复杂地层快速钻进技术难题。     

磨料水射流作用下岩石损伤场的数值模拟

磨料水射流（AWJ）破碎岩石的过程是多相流体与结构物体之间非线性碰撞动力耦合问题,其内部的复杂机制涵盖了诸多方面。基于ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）流-固耦合罚函数算法,从连续损伤力学和细观损伤力学角度出发,建立了磨料水射流冲击破碎岩石模型。研究表明：岩石的破坏主要以冲击破坏为主,破坏具有明显的局部效应,破碎过程以漏斗状交替推进;岩石内部的损伤场以阶段性演化,即分为线弹性阶段、非线性失稳破碎阶段,岩石在射流冲击交替应力的作用下50 ?s内完全破坏。计算结果与相关文献基本吻合,研究结果对深入研究磨料水射流破岩理论及应用有着重要的学术和现实意义。     

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。     

基于UDEC的隧道掘进机滚刀破岩数值模拟研究

现今全断面隧道掘进机（TBM）施工方法在长大深埋隧道工程中已被广泛采用,对滚刀破岩关键技术的进一步认识具有重要的工程价值。为了研究滚刀破岩机制,分析刀圈断面形态、岩石强度和节理角度对其的影响,运用UDEC方法建立了滚刀贯切岩石的二维数值系列模型,对TBM滚刀破岩过程进行了仿真。分析表明：滚刀破岩是滚刀下岩石拉破坏和剪破坏的综合反映,拉破坏是裂纹萌生与扩展的主要驱动机制;刃宽较大的平刀与刃角较大的楔刀破岩效果较好;平刀与楔刀在软岩中破岩效果相近,平刀在硬岩施工中比楔刀的破岩效果好;滚刀对节理角度为30°～60°的岩石破坏效果较好,由于楔刀的“劈裂”作用,楔刀比平刀更适合用于贯切含有节理的岩石。     

高能射流式液动锤低阻高效冲锤结构研究

为了对SC-86H型高能射流式液动锤冲锤结构进行优化,应用CFD动态分析,对2种不同冲锤结构的射流式液动锤模型进行了研究。计算表明：在相同输入流量下,新型冲锤结构的射流式液动锤与原冲锤结构相比性能具有优势,冲击末速度得到了提高,冲击功与能量利用率平均增长7.9%与12.7%,新型冲锤结构减小了流体阻力消耗的能量,更有利于高能输出。另外,通过Ls-dyna非线性动力学分析,对2种冲锤结构的碎岩效果进行了研究,并对新型冲锤应力强度进行了分析。结果表明：新型冲锤结构的能量传递效率更高,且满足疲劳强度校核,相同冲击末速度下,岩层吸能值高于原冲锤结构;新型冲锤结构的吸能率较高,2种冲锤模型的吸能率随入射能量成非线性增长。     

高压水射流钻完井技术进展及发展思考

利用有效的钻完井技术,缩短建井周期,提高单井产能,对于经济高效开发深层油气、致密油气、煤层气等油气资源具有重要意义。高压水射流钻完井技术是利用高能流体进行破岩的前沿技术,不仅能用于提高钻井机械钻速,还能用于割缝增产,国外在高压水射流钻完井技术方面开展了大量尝试性研究工作,通过不断创新和改进,已有部分技术实现了商业应用。在总结高压水射流钻完井技术进展的基础上,分析了商业应用存在的问题,针对国内高压水射流钻完井技术发展现状,提出了开展超高压双管连续管水射流钻井技术研究、开展超高压水射流割缝增产技术试验、开发专用的井下喷射和切削系统、深化脉冲水射流技术研究等发展建议。围绕这些关键技术进行攻关研究,通过室内和现场试验,尽快形成我国的高压水射流钻完井技术及配套装备。      

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。     

煤层气径向钻井压耗计算与井口压力预测

对煤层气径向钻井过程中钻井管柱系统压耗和高压水射流破岩机理进行分析,列出了钻井管柱系统各部分磨阻系数的计算公式和喷嘴射流动力公式。通过理论分析与室内试验,提出了煤的水力冲击破碎压力与其物理力学参数之间的关系式,以及水力冲蚀速度与无因次冲击压力之间的关系。结果表明:通过加权平均值法计算得到的临界破碎压力与实际值吻合良好;在3~8倍临界破碎压力下,冲蚀速度约为无因次冲击压力的0.4倍。根据文中压力预测步骤,对现场作业进行压力预测,得到的井口压力预测结果比实际施工压力低3~5 MPa。      

空隙率对潜孔锤凿岩瞬态冲击过程的影响

潜孔锤的钻进过程是一个高度非线性、大变形、破碎岩石的过程,利用非线性有限元程序ANSYS/LS-DY-NA研究了在凿岩过程中,球齿凿入不同空隙率（塑性体积应变）岩石的冲击力特性。结果表明,岩石空隙率对钻头球齿与岩石之间的凿入冲击力幅值有很大影响,随着空隙率的增大,球齿凿入的冲击力显著减小,而对活塞与钻头间冲击力幅值影响甚微。通过ANSYS/LS-DYNA瞬态冲击数值模拟,形象地再现了潜孔锤钻凿系统冲击岩石发生侵入破坏的物理过程,为冲击碎岩瞬态研究提供了一个有效的分析方法。     

混凝土含水裂隙中爆炸压力传播的模型试验研究

爆炸作用下含水裂隙中水压力的分布及传播特征对分析含水裂隙岩体初始裂纹扩展机制具有重要意义。通过含水裂隙的混凝土室内爆炸试验,测量了爆炸时含水裂隙中的水压力,分析了含水裂隙中水压力的荷载特性及传播特征,并研究了裂隙张开宽度及爆炸药量对水压力荷载的影响。试验研究结果表明：爆炸作用下含水裂隙中水压力时程分布呈多峰波动分布,水压力来源包括爆源通过水介质直接传递的荷载及通过混凝土间接传递的荷载,且在不同裂隙长度,荷载峰值主要来源不同;相同装药条件下,含水裂隙中水压力随距爆源距离增大而迅速衰减,裂隙中同一位置水压力大小与裂隙张开宽度呈负相关;混凝土室内爆炸试验含水裂隙中水击波所带能量频谱主要集中在7.8～62.5 kHz,是一种高频信号。随距爆源距离的增加,能量分布向低频集中;水击波频带能量分布特征受爆炸药量及裂隙张开宽度的影响。当量为4.5 g TNT（三硝基苯）乳化炸药装药相比 8.1 g TNT乳化炸药装药爆炸时水击波高频信息更丰富;相同爆炸药量时,随混凝土中含水裂隙张开宽度的增加,水击波频带能量分布峰值呈现向中间频带移动的趋势。     

双粒子联合冲击破岩仿真研究

单粒子冲击破岩与粒子冲击钻井的真实工况有一定的差异,因此,需要研究多粒子联合冲击破岩的规律。在双粒子联合冲击破岩条件下,利用LS-DYNA的参数化设计语言,采用无量纲化分析方法,选择粒子间距、直径、初速度和入射角度为设计变量,建立了它们与岩石破碎体积和侵入深度之间的关系,并绘制了它们之间的变化关系曲线图。进一步分析这些曲线图的变化规律后发现：间距为0.25个左右的基准直径、粒子直径取0.8~1个基准直径、冲击初速度取每秒32 000~40 000个基准直径、入射角度为0°~40°,粒子冲击破碎岩石效果达到最佳或接近最佳。这些结果可以作为深入研究多粒子联合冲击破岩的参考依据。     

强渗漏与坚硬岩层组合条件下旋挖钻机施工工法研究

通过对强渗漏与坚硬岩层组合条件下桩基工程旋挖钻机施工技术的探索,总结出高压旋喷防渗漏与旋挖钻机牙轮筒钻和截齿取心筒钻交叉钻进入岩联合成孔施工工法,并在工程中成功应用。在处理大直径入坚硬岩层钻孔灌注桩方面效果明显,技术先进,有明显的社会效益和经济效益。