煤巷顶板锚固孔钻进钻杆振动机理与特征分析

基于煤巷顶板锚固孔钻进过程中钻杆存在横向振动、纵向振动、扭转振动,且岩石的响应力与反扭矩是钻杆发生3种振动的主要原因.利用数值计算方法,对λ=1.0~1.5条件下,煤巷顶板几种常见的岩石模拟钻进,获取了4种岩石对钻杆的响应力与反扭矩,并得到了钻杆的振动特征,发现应力状态的改变对钻杆振动特征影响不明显,钻杆在砂岩中钻进时主要振动形式以横向振动为主,在砂质泥岩中钻进时以纵向振动为主,在泥岩和软弱夹层中钻进时以扭转振动为主.钻杆横向和纵向振动响应频率按由大到小顺序依次为:砂岩、砂质泥岩、泥岩、软弱夹层.扭转振动响应频率按由大到小顺序依次为:泥岩、砂岩、砂质泥岩、软弱夹层.     

煤矿巷道顶板强度随钻识别系统与钻速优化研究

为了在煤矿巷道支护过程中对顶板单轴抗压强度进行随钻实时识别并对锚杆钻机的钻速进一步优化,基于气动锚杆机、传感器与控制器监测系统的钻进参数,设计巷道顶板单轴抗压强度随钻识别系统。通过气动马达的扭矩与转速、支腿气缸的压力与速度,识别巷道顶板单轴抗压强度,推导出顶板岩层随钻识别钻进参数的计算公式。采用气动马达功率特性曲线优化钻速,并且研制顶板岩层强度随钻识别试验系统,以期解决顶板岩层勘测的误解和经济费用问题,从而进一步提升煤矿井下作业的安全性。     

含软弱夹层煤巷层状顶板失稳机理与分类

运用复合梁原理对含软弱夹层的煤巷层状顶板失稳模式进行理论分析,随着软弱夹层厚度的增加,顶板所受的最大拉应力逐渐变小,而且呈双曲线规律变化.软弱夹层厚度变化与围岩水平应力、位移和塑性区之间的关系进行数值模拟,研究了软弱夹层对锚杆支护煤巷层状顶板稳定性的影响.根据研究结果,以软弱夹层的厚度与其在顶板内的位置为指标对顶板进行分类,为煤巷锚杆支护参数设计提供了理论依据.     

涂层高速钢钻头的钻削试验研究

以轴向力和扭矩为判据来比较3种不同涂层刀具在钻削不锈钢时的切削性能,试验结果表明,以TiN表面多层涂层钻头钻削效果最好,TiCN表面多层涂层钻头次之,而单层涂层钻头最差.同时发现不同的涂层刀具钻削不锈钢时产生的轴向力和扭矩值亦随着进给速度的增加而增大,但在固定进给速度(0.12mm/r)改变转速时,3种不同涂层钻头的轴向力与扭矩在转速为1.4r/s时最小,随着转速增加到2.0r/s时,轴向力和扭矩增至最大,而当转速继续增加到2.6r/s时,则轴向力与扭矩反而开始下降.     

涂层高速钢钻头的钻削试验研究

以轴向力和扭矩为判据来比较 3种不同涂层刀具在钻削不锈钢时的切削性能 ,试验结果表明 ,以TiN表面多层涂层钻头钻削效果最好 ,TiCN表面多层涂层钻头次之 ,而单层涂层钻头最差 .同时发现不同的涂层刀具钻削不锈钢时产生的轴向力和扭矩值亦随着进给速度的增加而增大 ,但在固定进给速度 ( 0 1 2mm/r)改变转速时 ,3种不同涂层钻头的轴向力与扭矩在转速为 1 4r/s时最小 ,随着转速增加到 2 0r/s时 ,轴向力和扭矩增至最大 ,而当转速继续增加到 2 6r/s时 ,则轴向力与扭矩反而开始下降     

煤矿巷道底板锚固孔钻渣生成机理及尺寸特征分析

利用理论分析、实验室实验及数值模拟方法研究了底板锚固孔钻进过程中两翼式钻头破岩时钻渣生成机理及尺寸特征.结果表明:两翼式钻头破岩过程实际为底板锚固孔钻渣分区域生成的过程,即锚固孔周边岩石切削破碎生成小粒径钻渣以及中部区域岩柱扭转(受压)破坏生成大粒径钻渣;底板锚固孔钻进过程中岩石的单轴抗压强度越高,钻进过程中产生的大粒径钻渣比例越大,造成钻渣整体平均尺寸随岩石单轴抗压强度的增加而增加.在钻进至较坚硬地层时,由于大尺寸钻渣产出量增加,应及时调整排渣动力参数,防治堵钻或卡钻.     

普通麻花钻刃磨偏心时钻削力的预测及对孔尺寸精度的影响

本文建立了预测普通麻花钻后刀面刃磨偏心时的轴向推力、扭矩及径向力和偏心量与孔加工尺寸精度之间的数学模型。该数学模型是借助于普通斜角切削力学的理论来计算切削力,并假设钻头—钻卡—钻床主轴是绝对刚性和不是绝对刚性两种情况。为了验证该数学模型,作者进行了定量的测试和实验,其结果表明:数学模型能够较准确地预测偏心麻花钻钻削时所产生的轴向推力,扭矩及加工孔的尺寸精度。     

旋挖机钻进过程的力学响应特征及地层强度确定

旋挖机的现场钻进参数表明随钻参数如钻进率、钻杆钻速、动力头压力及扭矩等实时改变可定性入岩判别，由此建立切削力与压力的关系，为地层辨识及终孔设计提供依据.以某输电变站场址为研究对象，建立旋挖钻机全钻头的三维数值模型，模拟钻进过程中的给进力、扭矩实时变化及地层响应特征.结合地层物性特征与钻机随钻参数的关联性，建立多因素协同控制的地层强度模型，基于三维数值模型获得各工况的给进力及地层强度，与地勘及监测计算的地层强度值吻合，说明三维数值模拟表征地层强度的合理性.最后，基于该三维模型计算不同钻进深度的地层强度并进行持力层辨识，实际与设计的入岩深度一致，表明数值模拟地层强度确定持力层的可行性.其成果可为不同物性地层的旋挖机终孔设计提供理论支持.     

定向钻进过程的智能化控制技术研究与应用

在非开挖地下管线定向钻进过程中,优选钻头的钻进参数是实现钻进自动化与智能化的关键问题.通过对工程所在地基本地质条件、已有地下管线种类及分布特征的研究建立起定向钻进智能控制知识信息库,可以为钻机的智能钻进提供知识、逻辑、数据参数等数字化基础信息,引导钻机在具体的土层特征、钻进深度、钻进角度、钻速、推力、扭矩、钻进液状态等参数控制下,实现非开地下挖管线定向钻进的计算机智能化控制,有效规避施工风险,提高非开挖智能化定向钻进技术的经济效益和社会效益.     

深井煤巷厚层复合顶板整体变形机制及控制

为解决深井煤巷厚层复合顶板的整体下沉问题,分析了巷道围岩力学机理并提出了控制技术.采用现场调查和理论分析方法研究了深井煤巷厚层复合顶板岩层的结构特点和力学性质,以及整体下沉的主要原因,认为该类型顶板具有厚度大、力学强度低、软弱分层多等特点,而锚索的整个有效锚固长度并没有深入到承载强度较高的岩层中,出现了垮落层带、离层裂隙层带和弯曲层带的"小三带"变形分布区域,形成了"顶板-两帮"和"顶板-小煤柱"的不稳定循环系统,由此,提出了以"预应力大刚度桁架锚索梁"为核心的综合控制技术.现场试验表明:进行以"预应力大刚度桁架锚索梁"为核心技术支护后的煤巷明显好于原支护煤巷(为锚杆和锚索联合支护),较原支护煤巷的顶底板总移近量少了541mm.     

自进式水射流钻进技术在煤层气开发中的应用

自进式高压水射流钻进技术是在煤层气勘探井内布置机械或水力扩孔装置,对准选定的煤层进行扩孔后,下入特制的转向工具,在300mm的曲率半径内实现由垂直转向水平进行钻进.自进式钻头由旋转喷嘴、钻屑整合装置及推力提供装置等组成,其带动为其提供高压水动力的特制胶管向前连续钻进.高压水通过高压胶管为自进式钻头提供动力,进行钻进、推动及排渣.该技术可以在同一煤层气勘探井内的不同煤层内完成多个水平钻孔,这些径向水平钻孔可以沟通新的瓦斯流动通道,从而大幅度地提高煤层气产量.     

自进式水射流钻进技术在煤层气开发中的应用

自进式高压水射流钻进技术是在煤层气勘探井内布置机械或水力扩孔装置,对准选定的煤层进行扩孔后,下入特制的转向工具,在300mm的曲率半径内实现由垂直转向水平进行钻进.自进式钻头由旋转喷嘴、钻屑整合装置及推力提供装置等组成,其带动为其提供高压水动力的特制胶管向前连续钻进.高压水通过高压胶管为自进式钻头提供动力,进行钻进、推动及排渣.该技术可以在同一煤层气勘探井内的不同煤层内完成多个水平钻孔,这些径向水平钻孔可以沟通新的瓦斯流动通道,从而大幅度地提高煤层气产量.     

Agadem油田新型个性化PDC钻头提速应用研究

Agadem油田位于尼日尔东南部,是中石油集团在尼日尔勘探开发的主力油气藏。该油田二开井段为215. 9mm井段,钻进地层为Yogou—Donga地层。该段地层上部泥岩段钻进中易出现泥包现象,下部泥岩致密机械钻速低、砂砾岩夹层频繁研磨性强,钻井难度较大,钻进速度缓慢,钻井周期长。为了进行提速试验,在油田实践中采用了以个性化PDC钻头为主导的系列提速措施,使二开全井段平均机速达到了8～12 mh,为邻井平均机速的2倍。在试验中,实现了一趟钻完钻的目标,创下Agadem油田同套地层同井段最高平均机速及单只钻头完钻的新纪录。     

基于圆盘缝隙阻尼器的中心通流静压推力轴承

针对轴向柱塞马达变量阀配流机构的结构特点,提出圆盘缝隙前置阻尼中心通流式流体静压推力轴承的原理和结构.计算承载能力和油膜刚度,分析轴承密封带与圆盘缝隙前置阻尼平面的高度差对静压推力轴承特性的影响,并与细长孔前置阻尼流体静压推力轴承的承载能力和油膜刚度进行对比.结果表明,圆盘缝隙前置阻尼流体静压推力轴承的油膜绝对刚度较大,是油膜厚度的单调递减函数,油膜厚度越小刚度越大,承载能力稳定,负载适应能力较强;细长孔前置阻尼流体静压推力轴承在设计油膜厚度附近刚度最大,当油膜厚度改变时刚度减小.对高度差5和10μm的2种样机进行对比试验,试验结果表明,2种轴承均可在压力0~12 MPa,当转速为0~1 000r/min时正常工作,泄漏和摩擦都很小.当流体压力变化时,高度差为5μm的轴承的泄漏量和摩擦扭矩相对较稳定.     

螺旋桨尾流场的数值分析

为了研究螺旋桨尾流场的分布规律,用数值方法计算了螺旋桨的扰动速度.在质量守恒定理和动量守恒定理的基础上建立不可压缩流体的控制方程.在数值计算过程中,采用了湍流模型和SIMPLEC算法,分析了螺旋桨的推力、扭矩以及表面压力分布情况.对螺旋桨的尾流场进行了数值计算,给出了在不同进速时螺旋桨诱导的径向、周向以及轴向诱导速度.分析了螺旋桨诱导速度的分布规律及其和进速系数之间的关系.从计算结果可以看出,进速系数越大,螺旋桨自身形状对其诱导流场的影响越大;进速系数越小,螺旋桨转速对其诱导速度影响越大.     

顶板岩层诱发冲击的冲能原理及其应用研究

针对顶板岩层对煤体冲击的影响作用机理,采用实验室物理模拟试验、UDEC 4.0离散元数值模拟试验、理论分析和工程实践验证这4种方法进行了研究,提出了煤岩冲击破坏和顶板岩层诱发冲击的冲能原理以及冲击破坏判别准则,并在工程实践中进行了应用和验证.根据煤岩冲击破坏动能试验和煤岩破坏的应力-应变曲线能量演化规律分析结果,具有冲击倾向性的煤岩样在载荷作用下破坏时将产生强烈震动和脆性冲击型破坏,破碎的煤块具有一定的初始动能并以一定的初速度脱离煤体,把这些煤岩样冲击破坏时碎块冲出的动能定义为该煤岩样的冲能,即冲出的能量,从而建立了煤岩冲击破坏的"冲能原理"和"冲能判别准则".通过岩板断裂震动物理模拟试验和数值模拟试验研究,得到顶板断裂过程中可产生强烈震动冲击载荷、致使煤岩破坏时的冲能、冲击危险性升高的研究结果;顶板断裂震动持续时间与顶板厚度呈线性关系,对煤体的震动损伤与顶板厚度呈乘幂关系,从极限悬顶长度的一半开始,煤体的冲击危险性显著升高,顶板岩层释放的能量与岩层强度呈对数关系;岩层运动产生的动能和释放的总能量分别与顶板厚度呈指数和乘幂关系.将顶板岩层诱发冲击矿压的机理分为处于稳定态岩层的"稳态诱冲机理"和处于运动态岩层的"动态诱冲机理"2种类型,岩层的"稳态诱冲机理"是指当顶板岩层不发生大规模破断或滑移垮落时,由岩层内部储存的弹性能的突然释放而导致的煤体冲击机理,稳态诱冲机理研究确定了影响煤岩破坏的2个重要初始参量--煤体的应力基数P.和能量基数U.,应力基数决定了破坏的条件,能量基数决定了破坏时释放能量的大小."动态诱冲机理"是指由顶板岩层发生大规模破断或滑移垮落产生的强烈震动和释放的大量冲击能等动载荷导致的煤体冲击破坏机理,分析了顶板岩层断裂和滑移的震动特性,坚硬厚层项板岩层在诱冲方面的作用主要表现在以较高频率的冲击载荷方式对煤体造成损伤;稳态岩层和动态岩层在诱发煤体冲击的时候都以动态的形式释放能量并参与到煤体破坏时的冲能当中,在满足冲能判别准则的情况下均可诱发冲击矿压,由此形成"顶板岩层诱发冲击矿压的冲能原理".基于岩体介质中能量传播规律和岩层影响冲击危险性的不同程度,提出了岩层影响下的煤体冲击危险"诱冲关键层"判别准则和诱冲关键层的判断方法,按照传播至煤体能量的大小给出了岩层的诱冲系数点Kb=E'k/Er0.和对应的能量值,用来表征岩层诱发冲击矿压的可能性大小.2个具有冲击危险的煤矿通过控制顶板岩层和控制煤体以降低"岩层-煤体"系统冲能进行冲击矿压防治的工程实践验证了本文关于"项板岩层诱发冲击矿压的冲能原理"研究结果的实用性与可靠性.     

粘性流场中吊舱推进器性能的数值模拟

针对粘性流场中吊舱推进器的水动力性能问题,采用FLUENT软件进行了相关计算,计算中利用湍流模型封闭方程,采用滑移网格技术模拟螺旋桨的旋转.计算了吊舱推进器各部分的轴向力、侧向力、垂向力变化及主桨叶的受力变化,分析了偏转角和安装角对推进器性能的影响.计算结果表明,舱体和支架上的力为阻力,吊舱推进器会受到一定的侧向力和垂向力,二者大小相近,其影响不能忽略.螺旋桨尾流的影响使得桨盘面处的伴流不均匀桨叶受力产生脉动.当存在偏转角时,推力变大,轴向力变小,运行角会使推力减小,扭矩增加,效率降低.     

三轴压缩条件下胶结充填体能量耗散特征分析

开展不同灰砂配比、质量分数的充填体三轴压缩试验,研究了不同围压加载阶段充填体的能量耗散与围压、应变以及应力的内在关系.结果表明,在低围压时,充填体的极限抗压强度低;随着围压的增加,充填体的峰值强度随之增大,峰前能耗占总能耗的比重越来越大,说明充填体屈服阶段吸收的能量占总能量的比重提高,围压的增大能够提高充填体的破坏能耗量;充填体的峰前能耗量、峰后能耗量、单位体积变形能以及总能耗与围压呈二次函数曲线关系.当围压一定时,充填体在弹性变形阶段的能量变化与轴向应力、偏应力均呈线性关系,与轴向应变呈指数函数曲线关系;随着轴向载荷增加,能量随轴向应力、偏应力变化的增长速率加大.     

气体钻与泥浆钻全井段钻柱动力学对比研究

全井段钻柱在井内运动过程是一个非常复杂的非线性动力学问题,不可能得到比较完美的解析解,如果采用室内试验或者现场试验研究,其成本又会很高且很难实现.因此,在弹塑性力学、岩石力学和钻柱力学的基础上,以四川某井基本钻井参数和钻具组合为依据,采用有限元法建立了塔式钻具钻至1486m井深时的全井段三维钻柱模型和相应的井筒模型,并且建立了钻头与岩石以及钻柱与井筒之间的随时间变化且有摩擦系数的接触关系和相对应的泥浆钻井模型,对比分析了钻柱在动态钻进过程中的井口参数、钻头上压力和转动速度以及全井段钻柱的弯矩扭矩变化等结果,得出气体钻井与泥浆钻井全井段钻柱的运动规律以及钻铤失效机理的差异.为认识气体钻井全井段钻柱的运动规律提供了新的研究方法,对气体钻井中钻柱力学、井斜控制和设备等方面的研究都有较好的现实意义.     

含水砂岩顶板巷道失稳破坏特征及分类研究

运用理论分析、实验室试验和现场实测方法,研究了宁东煤田主采煤层含水砂岩-水相互作用下物理力学性质及巷道顶板变形破坏特征,提出了富水巷道的内涵并对其进行了分类,阐述了分顶控制的基本思路.结果表明:含水砂岩分为粗粒泥质长石砂岩和中粒泥质长石岩屑砂岩,且在水作用下,含水砂岩破坏形式发生了变化,从干燥状态下沿岩样轴向的拉张破裂向端面碎裂破坏过渡;含水砂岩顶板巷道呈现以软弱岩层扩容变形和含水砂岩离层为主的分阶段变形破坏特征,含水砂岩浸水后强度迅速降低,富水巷道分为第Ⅰ,Ⅱ类富水巷道.