井下钻柱减振增压装置工作特性的仿真研究

井下钻柱减振增压装置是一种用于实现井底超高压射流辅助破岩的钻井工具,该装置的工作原理是利用井底钻柱振动能量,采用活塞激励的方式调制超高压射流。为研究各参数对该工具工作特性的影响规律,为其现场应用提供理论依据。基于该工具的工作原理,建立了数学模型并进行了仿真分析,对其工作特性进行了研究,以有效破岩水功率(单位时间内装置输出钻井液携带的有效破岩能量值)为优化指标,得出了钻进参数及超高压喷嘴当量直径对其工作特性的影响规律:装置输出压力的峰值随着超高压喷嘴直径的增大逐渐降低;随着钻压、转盘转速的增大而升高;当喷嘴直径为3 mm时,装置输出的有效破岩水功率最大;有效破岩水功率随着钻压、转速的增大而增大。为使单位时间内装置输出的有效破岩水力能量最高,钻进参数与超高压喷嘴直径之间存在最优参数配合。     

金刚石钻头高效破岩技术新进展

金刚石钻头是钻进破岩的重要工具。近些年来,随着新型复合材料的应用及精密加工技术的不断进步,结合钻井装备的不断创新,金刚石钻头取得了迅速发展。本文简要介绍了金刚石钻头高效破岩技术的一些新进展,并提出了今后可能的发展方向。      

煤矿井下定向钻进用新型PDC钻头

在硬地层或软硬交错地层中定向钻进时,常规单齿式平底钻头磨损较为严重。为此,我们开发出一种新型定向PDC钻头,并采用数值模拟方法分析该钻头的破岩机理和受力特性。结果表明:与普通平底钻头相比,在同等工况条件下,新型定向PDC钻头的破岩载荷比普通平底钻头降低36%,破岩效率提高近50%。根据模拟结果,试制新型定向PDC钻头并进行现场试验。试验显示:在中硬至硬地层中进行定向钻进施工时,与普通平底钻头相比,新型定向PDC钻头平均寿命提高2倍以上,进尺效率提高约1倍,降低钻进成本。      

复合地层中不同刃形滚刀与岩石接触行为研究

目的 滚刀截面形状即刃形对滚刀综合性能影响显著,研究不同刃形的滚刀在复合地层中的载荷变化特点,把握各型滚刀应用于复合地层时的优势与劣势,对于减少滚刀失效、降低刀盘偏载具有重要指导意义。方法 通过滚刀破岩试验获取和对比3种刃形的滚刀(平顶、圆顶和螺旋槽滚刀)在软硬复合地层中的切削力、破岩体积等关键指标,同时建立滚刀破岩有限元数值模型,探究滚刀刃形影响其切削岩石性能的机理和规律。结果 在复合地层中工作时,平顶滚刀所需的法向力均值最高,其余滚刀则相近。这是由于圆顶和螺旋槽滚刀破岩时仅有部分表面参与接触,接触面积均小于平顶滚刀,应力集中效应明显,从而降低破岩法向力。螺旋槽滚刀在切削不同强度岩石时的法向力差距最小;圆顶滚刀的法向力标准差的值最小。3种滚刀均形成了粉末状和片状岩石碎片,平顶和圆顶滚刀形成的岩石碎片总体积相近而螺旋槽滚刀略低。结论 复合地层软硬岩强度相差较大时,可选用螺旋槽滚刀以减轻刀盘偏载;硬岩部分强度较高时,推荐选用圆顶滚刀,以减小切削力和载荷冲击。     

深部硬岩截割特性及可截割性改善方法

深部硬岩的截割特性受到岩石特性、截割参数、应力环境等众多因素影响.利用TRW?3000型岩石真三轴电液伺服诱变(扰动)试验系统研究了受限应力条件、截齿加载方式、岩石力学特性、人为诱导缺陷等对硬岩截割特性的影响.研究发现:在单轴受限应力下,随受限应力增大岩石截割由易变难再变易,高单轴受限应力反倒有利于截齿破岩,但当单轴受...     

扭转冲击器旋冲过程应力波传播特性的研究

水平旋冲技术极大地提高了深井高硬度地层的采钻速度和效率,但摆锤旋冲对能量传播的影响趋势尚不明确,尤其是在狭小渐变截面圆柱体内旋冲应力波的传播及反射特性未见研究。为此,建立了狭小圆柱体的特征关系和旋冲冲击波阵面上的突跃条件,讨论了渐变截面圆柱杆中的一维应力波传播和反射规律,确定了微分方程和解析表达式。然后依据构件的几何尺寸及材料属性对纵波传播特性的影响特点,确定冲击波在传播过程中的演化规律。再针对旋冲过程中应力波在渐变截面的应力-应变-衰减规律进行了数值分析。最后基于现有的理论研究搭建冲击应力波实验平台,通过对实验中应力应变等变化参数的测量,验证了文中对渐变截面圆柱杆应力波传播特性的研究结果。     

硬岩隧道TBM施工中的典型掘进破岩难题与对策

全断面岩石掘进机(TBM)在硬岩、极硬岩隧道掘进过程中存在岩爆灾害、滚刀磨损、低掘进速率等典型掘进破岩难题，严重影响隧道的安全高效施工。因此，查明产生这些典型难题的原因并提出相应的对策至关重要。本文首先从岩石硬度、单轴抗压强度、岩石脆性及耐磨性等角度分析了隧道硬岩的相关特征，并阐明了其对各典型掘进破岩难题的影响规律。随后结合国内外隧道施工案例提出了相应的对策：岩爆灾害可采用岩爆监测和岩爆防控相结合的方法进行预防和治理；滚刀磨损通过优化滚刀参数、改良刀圈材料、涂覆刀圈涂层以延长其使用寿命；掘进速率低的难题可通过优化滚刀布置设计、增加刀盘推力及扭矩、增设辅助破岩手段等措施改良。最后，从TBM与隧道围岩的相互作用机理、TBM隧道施工信息化建设、TBM掘进智能控制和优化决策等方面对未来硬岩隧道的掘进提出了几点展望。     

双齿辊破碎机的设计与评估

对双齿辊破碎机主要参数计算及结构设计进行了论述，并提出了双齿辊破碎机破岩力的评估方法，供相关设计研究人员及用户参考。     

旋冲钻进系统控制策略研究现状与发展趋势

深部硬岩地层钻进效率低、成本高等问题是深井、超深井钻井过程中长期面临的难点问题。旋冲钻进技术由于破岩效率高、能降低黏滑振动以及钻压传递效率高等优点,在深地资源勘探开采、应急钻孔救援、钻井工程施工等领域逐渐得到应用,呈现出广阔的应用前景。然而,旋冲钻进系统具有强耦合、高度非线性、参数时变性、负载工况多变、多源动力协同等特性,常规控制方法难以取得理想的控制效果。为提升深井、超深井高端钻进装备的可靠性和智能化水平,研究钻进系统的控制策略具有重要的理论研究价值和工程实际意义。对旋冲钻进系统的组成结构及功能进行介绍;从钻速、钻压、钻进轨迹控制等角度综述近年来国内外研究机构和学者的研究成果;最后,对旋冲钻进系统控制策略未来的发展方向进行分析与展望。     

高频液力扭转冲击钻井提速工具设计与分析

PDC钻头钻遇中硬及软硬交替地层时极易产生黏滑现象,导致钻柱扭转振荡、钻进过程不稳定,机械钻速急剧下降。为解决上述难题,设计一种高频液力扭转冲击钻井提速工具。该设备主要由扭转冲击元件、承载连接元件及相应附件组成,通过内部流道产生的节流压差驱动扭转冲击元件产生高频往复的冲击扭矩,减弱或消除黏滑振动对钻头使用寿命的影响。地面试验和现场应用结果表明:该工具通过水力循环可稳定输出高频冲击扭矩,在桃2-4-18A井、坨203井、延491井进行了现场应用,与邻井相比机械钻速平均提高30%以上。该设备具有较好的市场应用前景且为深井、超深井钻井提速降本增效提供了技术支撑。     

深部饱水岩石蠕变试验及其流变模型(英文)

选取冬瓜山铜矿的深部饱水岩石试样,以单轴压缩单级加载和分级增量循环加卸载两种方式进行蠕变试验,得到不同应力状态下饱水岩石的流变试验曲线。以同一地点的干燥岩石的蠕变规律为对比,分析深部岩石在饱水情况下的流变规律,并基于统一流变力学模型,对深部饱水岩石的流变模型进行辨识,确定流变模型的相关参数。结果表明:在低应力条件下,饱水岩石的蠕变曲线非常平稳,但在高应力时,蠕变曲线出现波动,有突变现象产生,岩样内部承载能力随着时间的延长而不断弱化;在深部高应力条件下,饱水岩石的流变特性与干燥情况下的差别很大,尤其是在高应力卸载时,岩石质量劣化、损伤加剧,水的影响不可忽略。选定HH|NN|S模型(SchofieldScottBlair模型)描述深部饱水岩石的流变规律,模型的拟合曲线与试验数据符合得很好,表明所选的模型是合理的。     

Rock breaking characteristics of a 3D printing grid-matrix impregnated diamond bit

In order to improve the rock-breaking efficiency in hard rock formations, this paper presents an impregnated diamond bit with a special matrix structure. The grid-shaped matrix is designed to achieve large volume breakage so that the rock breaking efficiency can be greatly improved. The calculated specific pressure on the bottom surface lip of the newly proposed bit increased by 67%, from 68 kgf/cm² to 113 kgf/cm², compared to the conventional impregnated diamond bit. In such case, the grid piece can be effectively pressed into rocks to produce more cracks to effectively break them. In this paper, to study the rock-breaking mechanism of this impregnated diamond bit with grid-shaped matrix (IDBGM), subjected to different grid spacing and rock properties, rock cutting tests were conducted by using a TXCB-5P precision microtome and two 3D-printed grid pieces. The results indicate that the optimum grid spacing is 2 mm, because of the largest-scale cuttings when breaking rock ridges produced by the proposed bit. And the mineral particle size is the dominant factor affecting the height of weakened layer of rock. Besides, the IDBGM can more fully exert its structural advantages when applied to the hard rock layer with larger particle size. At the same time, the monitored real-time electric current is consistent with the above results, and further reveals the rock breaking mechanism characteristic of the IDBGM.     

吸波涂层精准厚度涂装工艺研究

目的降低涂层厚度波动范围,提高吸波性能的稳定性。方法通过资料分析,选用空气辅助无气喷涂工艺,综合空气喷涂和无气喷涂工艺的优点,改进喷嘴,实现喷雾流量和雾化幅度等工艺参数的精确控制。进行喷涂参数优化试验和吸波性能检测,获得最佳喷涂工艺。结果采用空气辅助无气喷涂工艺和改进的喷嘴,调节喷幅在5~30 mm,采用5次喷涂,每次喷涂20~24 min,获得的吸波涂层表面平整,没有直径大于50μm的颗粒。喷涂的2 mm厚涂层单位面积厚度的偏差从200μm降低到60μm以下,吸波性能从5 d B降到2 d B以下。结论研制出的吸波涂层精准厚度涂装工艺,可根据涂装基准面的形态和结构选择不同喷幅的喷嘴调节雾化,实现厚涂层吸波涂料的均匀喷涂,大幅度提高吸波涂层的涂装质量。     

节理岩体爆破的损伤机理及其块度模型

在分析现有岩体爆破机理与块度计算模型的基础上, 提出了考虑工程岩体的尺寸效应、将宏观结构弱面引入岩体爆破物理过程来建立块度模型的观点。为此, 按照损伤力学的处理方法, 应用连续介质损伤理论研究爆破过程中岩体弱面的破裂机制, 给出了岩体沿节理破裂的损伤发展方程。从爆破岩块具有分形特征的思想出发, 通过提出“岩体破裂比率”概念, 将爆破块度计算同节理岩体爆破机制相联系, 建立起岩体爆破块度的损伤力学模型（ＢＤＭ） , 该模型反映了岩体沿节理面破裂和岩石本身破裂的岩体爆破本质     

Pitting mechanism of cemented carbide tool in the early stage of rock drilling

Surface pitting affects the working life of cemented carbide tools. The pitting mechanism of the cemented carbide tool in the early stage of rock drilling is investigated. Experimental results showed that the surface pitting appears in the cemented carbide tool as soon as the rock drilling begins, and the high concentration of heat on the tool surface in the early stage of rock drilling induces flash temperature. The models of flash temperature and thermal stress of the cemented carbide tool in rock drilling are established. Mechanical analysis indicates that the pits on the surface of the cemented carbide tool in the early stage of rock drilling are not formed by the scratching, fatigue, and crushing of the rock material. And thermal analysis shows that thermal stress is the major cause of the pitting on the surface of the cemented carbide tool in the early stage of rock drilling, for the thermal stress induced by flash temperature on the tool surface is much higher than its mechanical stress. Experimental results also show that most of the surface pits occur at the junction of the WC phase and the Co phase due to the thermal stress.     

超声辅助磨削SiCf/SiC陶瓷基复合材料

针对碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料(SiC_f/SiC)存在加工质量差、刀具磨损严重等问题,开展金刚石砂轮端面超声辅助磨削SiC_f/SiC复合材料试验,对比研究超声辅助磨削和普通磨削SiC_f/SiC过程中的磨削力、表面形貌及表面粗糙度,并分析其材料去除机理。结果表明:超声辅助磨削可有效降低磨削力;超声作用能促使SiC纤维断裂,形成较短纤维而被去除,减少了纤维的折断和剥落,提高了其表面加工质量;在纵向振动端面磨削条件下,超声振幅在一定范围内有助于改善其表面加工质量,振幅过大则会导致表面冲击作用过强而使其表面质量降低。      

Advances in micro ultrasonic assisted lapping of microstructures in hard–brittle materials: a brief review and outlook

Micro ultrasonic assisted lapping was first proposed as an effective micromachining technique for hard–brittle materials by Masuzawa's group. Through applying innovative machine tool design concepts, holes as small as 5 μm in diameter and aspect ratios larger than five were machined in quartz glass and silicon. Further applications of the micro ultrasonic assisted lapping to generating microstructures in hard–brittle materials were extended by Brinksmeier's group, and path-controlled micro ultrasonic assisted lapping was implemented in LFM, University of Bremen. These excellent results have demonstrated a promising potential for practical, but the knowledge of micro ultrasonic assisted lapping is far from sufficient to provide a complete understanding and instructive rules for industrial users. The paper briefly reviews some new advances in micro ultrasonic assisted lapping, and then introduces some necessary research topics involved in the process in order to put it into practical microfabrication.     

硬岩金属矿山深部开采中的动力学问题

从深部开采环境阐述了金属矿硬岩在高地应力作用下的储能特征,并从深部开采工艺方面分析了随着金属矿山开采深度的不断增加,连续采矿方法已经成为未来深部开采的必然趋势。通过分析,认为处于高应力下的硬岩矿体在承受连续采矿法带来的动力扰动时,可以认为是岩石动静组合的受力问题。在此基础上,利用岩石动静组合加载理论分析了硬岩矿山在深部开采中的几个关键动力学问题,主要包括:硬岩矿山深部开采中的系统扰动和岩爆、深部开采中爆破引发的矿震及巷道失稳现象、深部硬岩开采中的能量释放与有序调控。理论分析和工程实践证明,硬岩金属矿山深部开采中存在的很多动力学问题可以利用岩石动静组合加载理论进行科学论证和分析,这对深部采矿的工程实践有较好的指导意义。