坚硬顶板水射流预制缝槽定向预裂防冲技术试验

我国大部分冲击地压发生与煤层上覆坚硬顶板密切相关,为了提高坚硬顶板预裂卸压效果,提出一种坚硬顶板水射流预制缝槽定向预裂卸压防冲方法。针对砂岩顶板,通过室内高压水射流切割岩石,测定不同水力化参数下岩石破坏深度、宽度以及冲蚀体积等缝槽特征指数值的变化规律,并进行现场试验。结果表明,单因素切缝特征试验时,岩石缝槽的特征指数深度、宽度、冲蚀体积与射流压力、喷嘴直径、重复切割次数呈正相关关系;与喷嘴横移速度呈负相关关系,岩石缝槽的特征指数随着靶距的增加呈现先增加后减小的趋势,切割效率最优靶距在5d处;五因素四水平正交试验时,影响缝槽卸压最优化的5个关键因素主次关系分别为喷嘴移动速度、重复切割次数、射流压力、喷嘴直径以及靶距;基于实验室研究规律,选择参数,对顶板高压水射流割缝进行井下试验研究。对于单轴抗压强度68 MPa顶板岩层,切缝半径相比传统刀具式切缝提高了10倍,并降低了压裂时裂缝起裂压力,顶板岩层水射流预制缝的聚能引导下,单次压裂半径最大可达15 m,防冲卸压效果良好。     

磨料射流切割混凝土的机理及试验研究

笔者通过对后混合磨料水射流切割机理的分析，从理论上探讨了磨料水射流形成的液固两相射流具有一定的冲蚀动能，阐述了高能束液固两相射流产生的冲蚀动能，在大干物料的体积能时，可将其物料切割，并提出了磨料仓中的磨料所处的高度产生的重力因素，高速水射流产生的真空卷吸作用因素，水射流对磨料的冲刷作用使其紊流流动而进入射流中的作用因素。是磨料能够混入射流的动力，并且利用高压水射流切割设备，对三种混凝土试件(C30、C40、C50)进行切割试验研究，分析了改变压力，改变喷嘴横移速度，改变喷嘴靶距等切割参数对其切割深度的影响，得出的结论。可作为设计磨料水射流切割装置的参考依据。     

射流联合盾构切削钢筋混凝土仿真与试验

针对传统盾构刀具直接切削钢筋混凝土所产生的弊端,进行磨料水射流联合盾构刀具切削钢筋混凝土研究。通过仿真和试验探究了磨料水射流在不同横移速度下对钢筋和素混凝土的切削效果和切割机理并确定了切割钢筋混凝土的最佳横移速度。研究结果表明:磨料水射流对钢筋和混凝土的切割机理存在差异性,水射粒子对钢筋的切割贡献十分有限;混凝土的切口深度和宽度大于钢筋,对横移速度变化的敏感性小于钢筋;在高横移速度下混凝土切口损伤宽度得到扩大但并不显著、钢筋出现切割残余;切割深度随着横移速度的增加而减小,下降速度由陡变缓;10 mm/min的横移速度较好满足切割C55钢筋混凝土的要求。基于前期研究成果开展模拟盾构切削试验,分析了磨料水射流联合盾构刀具破除C55钢筋混凝土的效果、刀具损伤和参数特征。试验结果表明:磨料水射流联合盾构刀具切削能有效解决盾构刀具直接切削所产生的钢筋缠绕问题,减少了刀具损伤,控制了扭矩峰值。     

射流作用下岩石局部渗流压力分布的研究

高压射流辅助破岩在油气井钻井工程中得到广泛应用，其破岩机理还很不明了。本文提出了射流作用下岩石局部范围具有较高渗流压力的思想，并认为该渗流压力大小对射流破岩有重要影响，建立了该渗流压力的计算模型。通过在地面条件下，射流作用于湿砂岩体的多因素数值计算与分析得出：射流的喷射速度大，岩石局部范围内的渗流压力也较大；计算平面的深度位置增加，岩石渗流压力明显减小；压力波（纵波）在岩体中的传播速度变化，对岩石局部范围内的渗流压力影响不大的规律，这对认识岩石在射流作用下的破碎机理有重要意义。     

旋转射流破岩成孔规律研究

在前期对旋转射流结构特性及流动特性研究的基础上，利用试验的方法研究了射流压力、喷距、岩石的渗透率及强度、添加剂的浓度等因素对旋转射流破岩效率的影响。同时，研究了岩石渗透率对旋转射流和普通圆射流影响的区别。研究结果表明：在同喷距同射流压力条件下，破岩效果随着岩石强度的减小、岩石渗透率的增加而增加；相比而言，岩石的渗透率在射流的破碎效果中起着主要作用；在相同射流压力条件下随着添加剂浓度的增大，岩石的破碎深度、破碎直径和破碎体积都表现出增大后减小的变化趋势。本试验条件下的最优浓度为200－300mmp，随着渗透率的增大，旋转射流破岩成孔的效果明显优于普通圆射流的破岩成孔的效果。     

弹体高速侵彻岩石效应试验研究

为研究高速动能弹在岩石中的侵彻效应,在高速弹道炮上进行弹体对岩石靶体高速正侵彻的模型试验,试验最高弹体速度为1 450 m/s,得出侵彻深度与侵彻速度之间的关系,并建立弹体速度不大于弹体极限速度时弹体侵彻深度的经验公式,该公式与试验结果具有良好的一致性.同时,分析模型试验靶体破坏情况,对于一定尺寸的弹体和靶体,不同弹体速度将产生不同的靶体破坏类型.研究高速撞击条件下弹体侵彻能力、侵彻极限速度和质量损失等问题,分析影响弹体极限速度和质量损失的相关因素,可对高速动能弹侵彻岩石的侵深、加速度和质量损失等主要参数进行评估,为弹体战斗部和防护工程的设计提供有力的参考.与在混凝土靶体上的高速侵彻试验进行对比,说明无风化的硬质岩石可以作为良好的防护工程材料.     

射流作用下岩石局部渗流压力分布的研究

高压射流辅助破岩在油气井钻井工程中得到广泛应用,其破岩机理还很不明了。本文提出了射流作用下岩石局部范围具有较高渗流压力的思想,并认为该渗流压力大小对射流破岩有重要影响,建立了该渗流压力的计算模型。通过在地面条件下,射流作用于湿砂岩体的多因素数值计算与分析得出:射流的喷射速度大,岩石局部范围内的渗流压力也较大;计算平面的深度位置增加,岩石渗流压力明显减小;压力波(纵波)在岩体中的传播速度变化,对岩石局部范围内的渗流压力影响不大的规律,这对认识岩石在射流作用下的破碎机理有重要意义。     

基于高压水射流破岩的岩石损伤破坏效应研究

由于高压水射流破岩的影响因素繁多和作用机理的复杂,运用动态非线性有限元法,进行高压射流的数值试验,分析破岩过程中应力及破岩深度变化,以破岩过程中诸如射流速度、射流直径、射流入射角度、射流束数等控制参数为研究方向,基于ANSYA/LS-DYNA进行不同井深条件岩石破坏的显示动力有限元分析。结果表明,进行高压水射流破岩时选取不同射流控制参数所实现的射流效率明显不同,射流速度和射流直径的增大都会增加破岩的深度;射流垂直入射时,破岩效果最好;射流束数和破岩深度成反比。以本文研究结果指导实际现场操作,可以有效提高破岩效率。     

长杆弹对岩石靶的侵彻分析

采用统一强度理论作为岩石材料的屈服准则,建立了长杆弹垂直侵彻岩石靶体的柱形空腔膨胀模型,给出了卵形长杆弹侵彻靶体深度的理论计算公式,求出了弹体以450～1400m/s的速度撞击岩石靶体的侵彻深度,并和试验结果进行了比较。分析了统一强度理论参数b对侵彻深度的影响。     

冻融循环作用下花岗斑岩动载强度研究

 对冻融前后的花岗斑岩进行相关静态、动态力学试验,获得岩样不同冻融次数下的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度及冲击动载应力～应变曲线。在Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型参数分析的基础上,对经历不同冻融次数的花岗斑岩进行SHPB试验模拟。结合室内试验数据与数值模拟计算结果,分析花岗斑岩动载强度与应变率及冻融次数的关系。研究结果表明：岩样冻融前后动态应力～应变曲线形态有所区别,SHPB试验的反射波和透射波形态发生明显变化,相同入射波情况下试样产生不同的应变率;SHPB试验数值模拟结果与实测值吻合较好,得到的不同冻融次数下花岗斑岩HJC模型参数是可靠的,数值模拟与室内试验相结合是研究分析的有效方法,二者优势互补;花岗斑岩动态强度受冻融次数与应变率共同影响,其影响效应相反,相互耦合。岩石冻融循环作用下的动载强度研究是一项重要课题,是冻融损伤条件下岩石动态本构关系研究的基础,对解决寒区露天边坡稳定性问题具有重要意义。     

高压水射流-机械齿联合破岩数值模拟研究

采用非线性动态有限元法,结合实际工况条件,建立了高压水射流–机械齿联合破岩的数值模型。研究了高压水射流破碎岩石过程,并提出了2个临界压力的概念。计算结果表明,联合破岩的破碎效率约为高压水射流和机械齿分别破岩之和的2倍,射流和齿的间距在13mm左右最佳。当射流压力足够高时增大转速有利于提高破岩效果;当钻压增加到一定值后,其对破岩效率影响不大;破岩效率与静水压力成反比。     

同轴旋转双射流冲蚀岩石机制与实验研究

 同轴旋转双射流是一种新型高效射流,它综合旋转射流破岩面积大和直射流破岩深度大的优点,并在较高围压下能够利用空蚀提高破岩能力。运用实验的方法研究常压淹没和围压条件下喷距、射流压力以及围压对射流破岩能力的影响。实验结果表明,双射流在冲击破岩时存在最优喷距范围,该次实验条件下最优喷距约为喷嘴当量直径的13倍;增大射流压力可大幅提高双射流的破岩体积。压力超过15 MPa时,破岩体积大幅增长。双射流的破岩体积和破岩孔深均随围压的增大而急剧减小,破岩孔径随围压的增大而减小的幅度相对较小。双射流冲蚀破碎岩石机制包括空蚀破坏、直射流冲击破坏、剪切破坏以及压力波动破坏。     

TBM滚刀破岩动态特性与最优刀间距研究

在对实际工况合理简化的基础上,从岩土细观角度出发,采用颗粒离散元法建立滚刀侵入岩体的二维模拟模型,研究双滚刀作用下岩体的动态响应机制,找出滚刀侵入过程中岩体裂纹、贯入度以及切削力三者的关系。在此基础上,通过数值模拟对常见切深下滚刀最优刀间距问题进行分析,得到不同切深下比能耗与刀间距的规律,并通过试验对双滚刀破岩过程中岩体动态特性以及最优刀间距问题进行验证,最后以工程实例验证研究结论。研究表明：仿真过程中,切削力随贯入度的变化与岩体的跃进破碎特性相一致,岩体破坏服从格里菲斯理论;较小切深下岩体为剪切破坏,较大切深下岩体发生拉应力破坏;切深为10 mm时比能耗有明显拐点,此时刀间距为100 mm;切深为6 mm时,60 mm刀间距下比能耗最小;切深小于2 mm时,实际工况下岩体不能产生贯穿裂纹。     

高压水射流破岩的数值模拟分析

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破岩过程进行了模拟，结果表明，水射流破碎岩石主体所用的时间为毫秒量级，普通连续水射流破岩的主要形式是卸载及射流冲击所产生的拉伸破坏，并呈“阶跃式”发展。在此基础上，探索了水射流参数对破岩效果的影响，数值计算与试验结果吻合良好，表明利用该方法分析水射流破岩过程和机理是可行的，所得结论可作为水射流破岩体系设计和优化的依据。     

基于CT方法的磨料射流冲蚀损伤岩石特性研究

 为了深入揭示磨料射流破岩机制,开展磨料射流冲蚀典型脆性岩石(硅质灰岩)实验,同时用CT扫描机对冲蚀后试件进行CT扫描,并利用图像处理技术对获得的CT图像进行二值化处理,直观反映磨料射流作用下岩石的破坏与损伤情况。结果表明：磨料射流破岩过程中除了能冲蚀去除岩石,于岩石内部形成由圆形截面与“V”形垂面构成的倒锥体冲蚀孔洞外,还会在孔壁致生大量小裂缝,对岩石产生一定的损伤作用,于冲蚀孔周边构造出一定范围的损伤区。通过实验测试手段直接验证了磨料射流冲蚀损伤岩石特性的存在,为深入揭示磨料射流破岩机制提供实验基础。     

高压水射流冲击速度对砂岩破坏模式的影响研究

 高压水射流冲击岩石会导致其发生结构破坏,不同的射流速度下,岩石呈现出各异的破坏形式。基于理论研究,分析水射流冲击岩石的应力波效应。选取速度分别为157,316,447,547,632,707和774 m/s的高压水射流开展冲击砂岩试验,分析不同射流速度下,砂岩内裂纹的数量、尺寸与形态。采用有限元法数值模拟了水射流破碎砂岩的过程,分析岩石内应力波的传播规律与裂纹的产生过程。研究表明：(1) 当射流速度大于72 m/s时,砂岩表面出现破碎坑和环形裂纹,前者由水锤压力的剪切作用导致,后者由瑞利表面波的拉伸作用导致;(2)当射流速度为300～700 m/s时,砂岩内部产生大量的横向裂纹并出现体积破碎,裂纹的产生主要由应力波产生的径向拉伸应力导致;(3) 当速度大于700 m/s时,砂岩产生的横向裂纹减少,主要以劈裂剪切方式破坏。     

磨料射流破碎岩石的性能研究

磨料射流在切割破碎岩石时,将产生比纯水连续射流巨大的冲击力。从固液两相流特点出发,对高压磨料射流破碎岩石的机理进行了分析与实验研究。得出岩石在受到磨料射流的冲击下,磨粒与水体对岩石的冲击压力与岩石在水介质作用下力学特性的变化共同促使了岩石的破坏。岩石破坏时最大剪应力位于0．5倍喷嘴直径的径向距离处,同时在固体介质表面边缘产生最大拉应力。该研究从理论与实验上为磨料射流破碎岩石奠定了理论基础。     

煤矿深部岩石力学性能试验分析与硬岩巷道快速掘进方法研究

 在RMT–150B岩石力学试验机上进行深部巷道砂岩单轴压缩和不同围压下三轴压缩试验,测得砂岩的力学性质参数。根据岩石应力–应变曲线分析深部岩石的强度和变形特性,岩石抗压强度随围压的增加而提高,围压从10 MPa增加到15 MPa时,抗压强度增幅达到40.3%。深部高应力下,砂岩承载后产生的变形及破坏形态与围压大小密切相关,其主应力差–应变曲线斜率随着围压的增加而明显变陡,破坏荷载增高。依据岩石力学特性,采用分类布孔,掏槽眼宜用直径f42 mm的钻头钻眼,其余的炮眼用直径f32 mm的钻头钻眼,缩短钻眼时间。掏槽眼采用中深孔不同阶微差斜眼掏槽方法,炮眼深度宜采用2.2～2.5 m,有利于巷道的进尺;周边眼采用小直径药卷光面爆破技术,有利于巷道成形。     

红水河特大桥裸岩基础施工技术

红水河特大桥是湘桂铁路扩改工程的关键性控制工程。其连续梁主墩位于裸岩上,桩基所处岩层裂隙发育,施工难度大。通过水下静力爆破配合液压锤凿除基岩、浇筑水下混凝土、采用三面单壁钢围堰和岩石围堰相结合的方法解决了深水裸岩基础施工的难题。其双液注浆处理岩溶裂隙、临近既有铁路静力爆破等多项技术均取得良好效果。