孕镶齿切削效率数值模拟及实验研究孕镶齿切削效率数值模拟及实验研究

PDC钻头和牙轮钻头在深部难钻地层中钻进时出现钻头钻进效率低、磨损速度快、寿命短等现象,相对而言,孕镶金刚石钻头凭借其特殊的破岩机理和“自锐性”在此类地层中具有良好的钻进性能,已成为提高深部难钻地层破岩效率的重要手段之一。本文以金刚石浓度、粒度、钻压、转速与孕镶齿的切削效率内在影响规律研究为目的,利用离散元软件PFC3D建立孕镶齿磨削砂岩的物理模型来进行数值模拟,然后进行孕镶齿磨削实验,实验数据与模拟结果的对比,验证了孕镶齿选取平行黏结模型来进行模型建立及仿真的正确性,从而粒度、钻压、转速、浓度对切削效率的影响逐渐降低,同时为孕镶钻头工作性能分析、个性化设计、地层适应性评价及钻头选型提供了依据。     

基于侵入试验的单齿破岩机理及齿形优化研究

齿形是影响镶齿滚刀破岩效率的关键因素。本文通过单齿侵入破岩试验对4种刀齿(镐形齿、锥形齿、楔形齿和球形齿)的破岩机理及硬岩破岩齿形优化等相关问题进行探讨,研究不同齿形侵入岩体过程中的破岩特征、加载力-侵深曲线特征以及对侵深、破碎体积、破碎坑半径、破岩岩屑分布特征的影响规律。通过分形理论评估破岩效果,从而达到优化齿形及加载力的目的。结果表明：随加载力增大,齿形对侵深、破碎体积、破碎坑半径等破岩效果指标的影响差异随之增大;破碎岩屑在粒度上具有分形特征,通过破碎分形维数并结合破碎体积等指标可以评估破碎效果,优化齿形及加载力;针对花岗岩类岩石,镐形齿所获得的破碎分形维数最低,破碎体积、破碎坑半径、侵深最大,可优选为花岗岩类硬岩中镶齿滚刀的齿形,并推荐100 kN为镐形齿优化加载力。     

泥包对破岩效率影响的PDC单齿切削模型研究

PDC钻头泥页岩地层钻进易发生泥包,严重影响机械钻速。钻进性能的变化归根结底源于切削齿与地层的相互作用,但是目前建立的单齿切削模型考虑的因素不全面,并不适用于钻头发生泥包的情况。建立了PDC钻头分别发生切削齿泥包和钻头整体泥包时的单齿切削模型,模型全面考虑了围压、切削齿倒角面、切削齿后底面、岩屑破碎带等因素,通过实例计算、利用前人实验数据验证了模型计算结果的可靠性。最后利用模型量化分析了泥包对破岩效率的影响规律,结果发现切削齿泥包和钻头泥包均严重影响破岩效率,且后者影响程度更大;切削齿泥包中,围压和"泥包团"长度对破岩效率影响显著,破岩效率均随两者的增大而减小;钻头泥包中,泥包面积对破岩效率影响显著,破岩效率随泥包面积的增大而减小。     

不同倾角下砂泥岩互层隧道围岩破坏规律数值分析

砂泥岩互层岩体广泛分布于西南地区,隧道开挖后围岩容易产生沿软弱层面的滑移破坏,岩层倾角对隧道施工安全性具有重要影响。为了探索不同岩层倾角下隧道开挖后围岩的破坏规律,以永安隧道为研究背景,通过离散元软件PFC^2D,研究了岩层倾角对开挖隧道围岩破坏规律的影响。结果表明:在模型的运算过程中,隧道围岩出现渐进性破坏规律;岩层倾角对于围岩破坏规律具有明显的影响,其通过改变隧道穿过软层岩体的面积,从而影响围岩的破坏规律;随着岩层倾角变大,隧道围岩塌方面积与隧道截面面积的比值和隧道围岩裂隙数量经历了一个由增加到减小再到增加的动态过程;隧道的拱顶、左洞的拱腰及拱脚在岩层倾角较小时几乎未遭到破坏。     

动静载荷耦合作用下岩石破碎理论分析及试验研究

根据压头侵入岩石的断裂特征,确定了动静载荷耦合侵入岩石过程中所形成的中间、径向和侧向裂纹长度与侵入载荷、冲锤质量和冲击速度关系式,分析了冲击–静压切削组合破岩模式下冲击间距(频率)对破岩效果的影响。在自行研制的动静态多功能岩石破碎试验台上,以花岗岩为试验对象分别进行了动静耦合载荷侵入岩石试验和冲击–静压切削破岩试验。结果表明:组合载荷模式能大幅度提高破岩效果,冲击间距与切削深度之比值对破岩比能耗有很大影响,并且存在最优比值可使破岩达到最佳效果;合理的加载方式应是冲击载荷使岩石产生足够大的开裂区,再与之匹配适当的静压和切削力将开裂区岩石切削下来;大冲击能、高冲击频率、小冲击间距对于破碎脆性硬岩有较好的效果。     

基于协同破岩的TBM刀盘优化策略

岩石隧道掘进机工作时的刀具受力情况是影响刀盘破岩性能的关键。为了分析滚刀之间的协同破岩效应,提出3种基本的协同破岩模式,并将多把滚刀协同破岩过程等效为3种破岩模式的组合。不同破岩模式下,滚刀切割岩石的先后顺序不同,结合线性切割试验,证实了不同模式下3种滚刀力等级的大小关系。以引汉济渭岭北隧洞TBM工程为背景,研究得出名义磨损量与破岩模式的叠加效应具有较强的相关性,其中,由内而外模式占比与滚刀名义磨损量具有明显的正相关性,据此提出了考虑刀具磨损量的TBM刀盘刀具优化策略。     

含有防空洞的岩石开挖边坡稳定性分析

结合对某大厦边坡的加固设计 ,通过数值模拟稳定性分析和现场观测结果分析 ,对含有防空洞的岩石开挖边坡进行了较为全面的研究。并在此基础上 ,提出了采用斜向上锚杆进行加固的有效措施。     

水岩相互作用下钙芒硝盐岩强度衰减机理

针对成都南郊普遍分布的白垩系灌口组钙芒硝盐岩的强度衰减现象,在总结浸泡40 d过程中钙芒硝盐岩参数变化规律的基础上,采用手标本鉴定、X射线衍射全岩定量分析、岩石薄片鉴定等方法深入研究了水岩相互作用下钙芒硝盐岩强度衰减机理.研究结果表明,钙芒硝盐岩中的矿物成分、结构构造、浸水时间等因素对盐岩强度衰减影响显著,钙芒硝盐岩破...     

最小抵抗线对岩石破碎块度影响的能量分析

运用分形理论对台阶爆破块度分布规律进行描述,将断裂力学理论与块度分布规律结合推导了台阶爆破岩石破碎能计算方法.基于相似理论浇筑台阶模型并进行爆破试验,研究不同最小抵抗线条件下台阶爆破岩石块度分布规律、岩石破碎能变化规律,试验结果表明:岩块分形维数随最小抵抗线增大呈线性降低,并且分形维数越小,块度评价指标K80、K越大,...     

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。     

波浪作用下水下岩质边坡模型试验研究

水下岩质边坡的稳定性分析在工程实践中具有十分重要的现实意义.通过将边坡模型置于水槽中,利用造波机产生具有不同波形的规则波浪对岩质边坡进行冲击试验,根据波浪冲击下岩质边坡内的应力与周期关系、应力与波高关系,可以把边坡前部划分威三个区域,每个区域内应力变化规律相同,可以为理论计算和数值模拟计算提供借鉴和指导,探索在波浪作用下水下岩质边坡的稳定性和破坏机理.     

裂隙岩体在单轴加载过程中变形、破裂规律的PFC2D数值模拟研究

运用离散元软件PFC2D模拟裂隙岩体,建立一个包含不同倾角、不同组数,宽度5cm、厚度1mm裂隙的10cm×10cm模型,分析单轴加载情况下岩体的变形、破裂规律。结果显示,在单轴加载情况下,随着倾角的增加,岩体的单轴抗压强度出现先减后增的趋势,且裂纹不断增多;随着裂隙的增多,单轴抗压强度逐渐减小。岩体的破裂区集中在裂隙的尖端点部位,以翼裂纹、次生共面裂纹和次生倾斜斜纹为主。通过分析破裂后岩体的颗粒速度分布,从微观层面发现岩体破坏的主要形式及破裂原因。     

基于离散元方法的PDC钻头破岩仿真研究

针对前人对PDC(聚晶金刚石复合片)钻头破岩仿真研究多采用有限元法,忽略了岩体的各向异性、不均匀性以及不连续性等问题。提出了采用离散元法来研究PDC钻头的破岩仿真过程,利用离散元软件PFC3D建立了虚拟单轴压缩实验和虚拟巴西劈裂法实验,推导出了岩石的三维离散元模型的细观参数,确定了岩石的本构模型。在此基础上建立了PDC单齿切削岩石的离散元模型,讨论了侧倾角对切削力的影响关系,并与单齿切削岩石的有限元模型进行了对比。结果表明:离散元模型与有限元模型结果比较接近,离散元数值模拟的求解时间为有限元数值模拟的1/3,离散元方法具有潜在的高效率。在单齿切削岩石的离散元模型的基础上建立了全钻头破岩离散元模型,研究了PDC钻头动态破岩过程中各切削齿所受扭矩和钻压的分布规律。并通过全钻头破岩室内台架实验对模型的准确性进行了验证。     

层状岩体强度异向性地下洞室的有限元分析

对于层状岩体,在有限元方法中可将其当成横观各向同性的连续介质进行计算。因为层状岩体在平行与垂直层面的方向上具有不同的强度特性,故进行非线性分析时岩体强度的异向性必须考虑。据此作者研制了一个可以处理层状岩体强度异向性的弹塑性及无拉分析的平面有限元程序,并举例进行了计算和结果分析,得出了相应的认识