基于硬脆性岩石特征粒径的锥齿滚刀最优钻压分析

为提高反井钻机锥齿滚刀对硬脆性岩石的破岩效率,需要得到最优钻压,分析岩碴粒径是研究反井钻机锥齿滚刀最优钻压的重要手段。采用直线破岩试验方法,使用锥齿滚刀破碎硬脆性大理岩试样,并通过Rosin-Rammler分布函数对岩碴粒径分布情况进行分析。通过对比多个钻压下岩碴粒径分布的累计概率曲线、特征粒径以及比能,得到钻压与岩碴特征粒径分布规律、特征粒径与比能的关系。当特征粒径最大和比能最小时,分别得到大理岩试样的最优钻压为34.45 kN和35.19 kN,因此最优钻压约为35 kN。据此,建议在实际应用中可将钻压设为35 kN。还分析了在相同钻压下,采用锥齿滚刀破碎硬脆性大理岩和花岗岩时的粒径分布关系,分析得到两种单轴抗压强度岩碴的特征粒径。研究结果表明特征粒径能够反映锥齿滚刀的破岩效果;硬脆性岩石的破碎过程符合黎金格的新表面说,特征粒径与比能呈近似反比关系;在一定钻压范围内,相同钻压下花岗岩特征粒径均大于大理岩,且特征粒径差距随钻压增加而增大。     

简单复合岩体中TBM多滚刀破岩机理离散元分析

采用引入考虑胶结尺寸的微观接触模型的PFC^2D离散元软件,对全断面岩石掘进机（TBM）盘形滚刀作用下简单形式的复合岩体破岩机理进行数值模拟研究。进行了单滚刀、双滚刀和三滚刀作用下的复合岩体破碎过程的模拟。模拟结果表明：滚刀破岩过程可以分为三个阶段：加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段。通过双滚刀和三滚刀侵入复合岩体的推力-侵深曲线分析,软岩上的滚刀比硬岩上的滚刀进入各阶段稍慢,略有滞后;不同滚刀间的峰值法向推力相差较大,易造成滚刀磨损。对于花岗岩-绿片岩复合岩体,破岩时接触力链被岩体分界面分割,硬岩区胶结破坏数目较多,双滚刀、三滚刀侵入时易形成贯通裂缝;破岩效率由大到小为双滚刀效率、三滚刀效率、单滚刀效率,而且双滚刀能够将效率提高一倍左右。     

锥形齿齿形参数及间距优化试验研究

镶齿滚刀已被广泛应用于多种开挖机械,如隧道掘进机、反井钻机、采掘机等。镶齿滚刀上合金齿的齿形参数以及齿间距、排间距的优化研究,对于提高机械掘进效率、降低施工成本有重要意义。设计并制作了不同齿形参数的锥齿,搭建了侵入试验平台,应用不同锥齿对北山花岗岩大块岩样(300 mm×300 mm×200 mm)进行了单齿侵入试验及齿间相互作用侵入试验。针对试验的北山花岗岩,试验结果表明,锥顶角为60°、锥顶半径为5.5 mm是其最优齿形参数。而齿间距和排间距分别在35 mm和40 mm左右为最优布齿参数。本研究可为开挖北山花岗岩地层的机械设备的刀具设计提供参考。     

自由面对滚刀破岩机制影响的数值模拟研究

为了研究自由面对滚刀破岩机理的影响,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：在合理的刀间距和贯人度情况下,破碎坑自由面的存在使裂纹扩展能耗降低,裂纹密度增大,起裂方式增多,容易实现体积破碎,提高滚刀破岩效率。     

基于岩屑分形破碎特征的钻井工程能效评价模型

通过分析岩屑的分形破碎特征及钻井工况特点,应用分形岩石力学理论建立钻井工程能效评价模型,模型包括能耗评价模型和能效评价模型2个部分,目的在于研究钻井工程中破岩能耗及能效与岩屑分形破碎特征的关系。研究表明:岩屑粒度分布分形维数、最大粒径尺寸及岩石特性常数是破碎能耗的主要影响因素;水力净化系数、岩屑粒度分布分形维数是破岩能效的主要影响因素,分形维数越大能效就越高,水力净化系数越高能效就越高,影响规律呈现指数变化趋势,岩屑相邻粒度相似比对能效影响不大。     

动静组合载荷破岩声发射能量与破岩效果试验研究

 在动静组合载荷多功能试验装置上,以脆性岩石(花岗岩)为研究对象,进行不同载荷作用下的破碎试验。运用声发射系统AEwin采集岩石破碎过程中的声发射数据。基于不同加载模式下的声发射总能量和破碎体积的实测数据,分析两者之间的关系;采用破岩体积和破岩比能2个指标作为表征破岩效果的参量,综合分析各种加载模式下的破岩效果。结果表明：岩石破碎声发射累计能量与破碎体积有密切相关性,动载荷、动静组合载荷和静载荷下破碎单位体积岩石释放的声发射累计能量分别为WD,WS+D,WS,且WD＜WS+D＜WS;组合载荷破岩的声发射累计能量和破碎体积较纯动载或纯静载大,且存在最优加载参数组合,可使破岩体积达到最大且破岩比能最小。     

基于破岩弧长的全断面掘进机滚刀磨损的研究

针对全断面掘进机滚刀的破岩弧长对其磨损进行了研究。推导了滚刀破岩弧长公式,并在此基础上研究了刀具安装半径、切深、滚刀直径以及刀间距等参数对滚刀磨损的影响,为滚刀的布置及相关施工参数的优化提供了参考。     

盾构刀具布置对滚刀破岩效能影响

针对硬岩地层滚刀磨损严重的问题,采用数据回归的方法,以某工程硬岩段盾构滚刀磨损数据和刀盘布置参数为对象,分析在地质类同、滚刀磨损量相同的条件下,不同滚刀破岩量变化趋势,深入研究滚刀安装半径及刀间距对滚刀破岩效能的影响,根据分析结果为类似地层盾构合理刀盘设计提供参考。     

深部硬岩截割特性及非爆机械化开采研究

深部开采中常见的高地应力条件会影响硬岩矿体的可截割性。高应力条件、刀具作用参数、硬岩自身特性严重影响着非爆机械化开采在深部硬岩矿体中的应用。镐型截齿是非爆机械化开采装备中常见的破岩刀具。利用TRW-3000型岩石真三轴电液伺服诱变(扰动)试验系统研究了围压条件(双轴、单轴、无围压)、镐型截齿作用参数(不同截齿加载速率、静态或动静组合载荷类型、单截齿或者具有不同布局间隔的双截齿)以及岩石中的人为诱导缺陷(预切槽、加卸荷诱导损伤、预钻孔)等因素对硬岩可截割性指标(破岩峰值载荷、凿入深度、扰动持时)、岩样破坏模式、破碎岩石块度等镐型截齿破岩特性的影响。试验结果表明:双轴、单轴、无围压条件下,岩石的可截割性依次逐渐增大;双轴围压下,即使施加很高的破岩载荷或者很长的扰动持时也只能使岩样发生表面剥落破坏,截割难度最大;单轴围压下,随着围压增大,岩石的可截割性先降低后升高,破坏模式依次表现为完全劈裂、部分劈裂和岩爆,相应地,破碎岩石块度逐渐降低;高单轴围压下,截齿破岩扰动易诱发岩爆,其发生过程包括截齿凿入引起的初始板裂、由高单轴围压驱动伴随大量岩块弹射的强烈岩爆以及最终的剪切破坏3个步骤,并且截齿诱发岩爆的易发性与岩样材料的强度、脆性、完整性等因素有关。因此,在单轴围压下存在2个关键的围压值,一个是低于该围压值岩样的可截割性会逐渐升高,而另一个是高于此围压值截齿破岩的安全性则会显著降低。在较低或者无围压条件下,镐型截齿破岩能够将岩样安全、高效地完全劈裂,具有最优的破岩效果。动静组合破岩时,增加预静载水平或者增大扰动载荷幅值都能增大镐型截齿破岩效率。岩体中的预切槽、开挖诱发的岩石损伤、预钻孔等人为诱导缺陷,能够改变临空面矿岩体的应力环境并降低受限应力大小,从而能够提高矿岩体的可截割性。此外,多截齿破岩时存在最优的截齿间距以确保同时产生截齿周围的翼形破裂和截齿间的贯通破裂,形成多截齿耦合强化效应,从而提高破岩效率。在开采实践方面,通过开挖深部诱导工程,增加矿体的临空面数量,将双轴受限应力环境改变为单轴,同时伴随松动区的形成受限应力大幅降低,可有效提高硬岩矿体的非爆机械化开采适用性。在试验采场,通过高清钻孔电视监测诱导工程围岩的松动区分布情况,测得半岛型矿柱的松动区厚度为1.84～2.54 m,呈"U"型分布。针对松动区矿体,试验了悬臂式掘进机、挖掘机载铣挖头、挖掘机载高频冲击头和铲运机载高频冲击头4种机械破岩方法。结果表明:基于多截齿旋转切割破岩的悬臂式掘进机采矿平均工效107.7t/h,采矿过程连续性强,具有最高的采矿效率和机械稳定性。基于非爆机械化开采实践,提出了一种预切槽硬岩矿体旋转振动连续截割设备及其施工工艺。     

动静组合载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究

运用 ANSYS 软件对花岗岩 在单一静载、动载和动静组合载荷作用下的破坏过程进行了数值模拟分析。结果表明：静载破岩时岩石中的裂纹扩展范围比冲击破岩时广,形成的破碎角大;冲击载荷破岩时岩石中的裂纹扩展速度比静载时快,形成的破碎角较小;动静组合载荷破岩时破碎深度和裂纹扩展面积比单一静载或动载时均大,破岩效果优于单一加载模式。在多功能岩石破碎试验装置上对花岗岩分别进行了单一静载、冲击载荷和动静组合载荷破岩试验,进一步表明动静组合载荷破岩在破碎深度、破碎体积和破岩比能方面比静力压入或单一冲击具有明显的优势,能大幅度提高破岩效果。不同的动静组合载荷存在不同的破岩比能,合理选取动静载荷的比值,可使破岩比能最小,破碎效果达到最优。     

掘进机盘形滚刀破岩机理探讨

全断面隧洞掘进机盘形滚刀的工作条件恶劣、磨损大,切削岩石过程中有崩刃现象,不仅影响掘进速度,而且增加了隧道开挖成本。世界各国都在致力于盘刀破岩机理的研究,以求改进盘刀设计,寻找新的布刀途径。本文根据我们在东北工学院岩石破碎试验台上所作盘形滚刀滚压中硬岩的试验,简要分析破岩机理。一、试验现象通过实验室试验可以观察到,在盘刀滚压岩石的过程中,大量岩粉从刀刃两侧楔面喷射     

线性和旋转切割方式滚刀破岩试验对比研究

隧道掘进机(TBM)的施工中破岩效率直接影响了工程的进度、造价。室内试验可以较真实地模拟滚刀破岩的过程,优化TBM设计参数。由于试验设备的限制,此前室内试验均为线性切割,与实际施工的旋转滚刀旋转破岩有一定差异。基于北京工业大学自主研制的机械破岩试验平台,采用19in(483mm)常截面盘形滚刀,以80mm刀间距、0.5mm贯入度为间隔,分别对某引水工程花岗岩进行线性切割和旋转切割破岩试验。对比分析了两种切割方式对滚刀力、比能的影响,发现两种切割方式下法向力、滚动力和比能变化趋势大体相同,只有侧向力存在明显差异。     

低压磨料空气射流破硬岩规律及特征实验研究

针对坚硬围岩巷道和隧道的掘进效率低、钻具损耗快等问题,提出低压磨料空气射流辅助破硬岩技术思路。采用Fluent-EDEM数值分析不同压力条件空气射流流场结构和磨料加速机制,确定影响磨料加速的关键因素。基于自行研制的磨料空气射流破煤岩系统,研究射流压力、磨料质量流量和冲蚀时间对冲蚀破碎花岗岩效果的影响规律,明确提高破岩效率的关键因素。采用扫描电镜对花岗岩冲蚀坑进行了形貌分析,揭示低压磨料空气射流破硬岩机制。形成了以下主要结论：在压力2 MPa时,射流可达543 m/s,能够将磨料加速至130 m/s,具备冲蚀破坏硬岩的能力。增大气固两相速度差,提高颗粒所受曳力和虚拟质量力是提高磨料速度的关键。相比于提高压力,提高磨料质量流量和冲蚀时间更能提升破岩效率。入射磨料主要以冲击应力波和反复塑性变形使岩石表面产生裂纹和唇状边缘冲蚀坑,反射磨料以剪应力的形式使冲蚀坑壁面产生微裂纹,形成片状断裂裂纹。低压磨料空气射流破岩机制与高压条件下相同,从理论上验证了低压磨料空气射流破硬岩的可行性。     

盾构盘形滚刀不同刀间距下破岩仿真研究

在考虑滚刀实际几何形状、滚刀与岩石的非线性材料特性基础上,建立了盾构机滚刀挤压破岩有限元三维模型,求解中对模型的特性参数、边界条件及时间步长等进行设置,以适用盾构机滚刀与岩石相互作用过程中的动态仿真或瞬态破岩,并对仿真结果进行对比分析。并得到双刃滚刀在破岩相互作用中刀具受力和岩石破碎规律,为以后盾构刀具在刀盘上优化配置提供了参考。     

环脊式PDC钻头破岩机理实验研究

环脊式PDC钻头是一种采用不连续布齿原理在井底形成易破碎岩石环脊的钻头技术新思想。在不同岩性、不同岩脊尺寸等条件下,开展了针对岩脊的牙轮牙齿的单齿静压和PDC齿刮切破岩单元实验,以及针对平整表面岩石的对比实验;设计制造了全尺寸可变参数实验钻头,并进行了环脊式PDC钻头与常规PDC钻头的室内钻岩对比实验。实验研究结果表明:与平整岩样的实验相比,牙轮牙齿和PDC齿在岩脊上的切削破碎载荷和破碎比功均显著降低;在全尺寸钻头钻岩实验中,与同等布齿密度条件下的常规PDC钻头相比,环脊式钻头的破岩比功显著降低,破岩效率明显提高;环脊式PDC钻头在钻进过程中有明显的体积性破碎现象,岩屑的尺寸或粒度显著增大,有利于地质录井。     

围压对TBM滚刀破岩影响规律的线性切割试验研究

 随着TBM技术在深埋隧道工程领域的应用及发展,TBM开挖过程中由高埋深或各向异性引起的岩石应力问题越来越受到人们的重视。应用北京工业大学自行研制的大型机械破岩试验平台,对4组双向等围压水平下(0,5,10和15 MPa)的大尺寸(1.0 m×1.0 m×0.6 m)北山花岗岩岩样进行线性切割试验,研究不同围压条件下滚刀破岩时作用力的曲线特征,分析围压对滚刀法向力、滚动力、岩体特征掘进指数、破岩岩片厚度和破岩比能的影响效应,并探讨围压对TBM现场掘进速率的影响。研究结果可为不同地应力条件下TBM开挖时刀盘动力参数设计与施工运行参数优化提供参考。     

隧洞掘进机盘形滚刀滚压岩石的试验

1981年我们曾进行隧洞掘进机盘形滚刀滚压中硬岩石的试验。目的在于探索岩石破碎规律与特点;滚刀受力与刀具几何参数、切深、槽间距之间的关系;探讨破岩机理,以期有助于全断面隧洞掘进机的设计与使用。全部试验包括六个项目:①用正交设计法规划盘形滚刀滚压光面岩石试件的直槽试验;②在毛面岩石试件上滚压直槽的对比试验;③在光面岩石试件上滚压圆槽的试验;④在毛面岩石试件上滚压圆槽的试验;⑤盘形滚刀安装内偏角β=0°、3°、5°时,在光面岩石试件上滚     

隧洞掘进机9Cr2Mo盘形滚刀失效初步分析

隧洞掘进机盘形滚刀是利用挤压剪切破碎原理进行破岩的。当机器运转时,盘形滚刀在强大推压力下(约十吨),每把滚刀运转在掌子面的一定轨迹上,滚刀对岩石连续挤压摩察;当刀尖压力大于岩石的破碎强度时,岩石就被破碎。此时,滚刀上的负荷突然卸载。所以,盘形滚刀要在压缩、弯曲、冲击、交变等     

岩石破碎声发射和电磁辐射特征试验研究

为了研究岩石破碎声发射和电磁辐射特征,利用RMT-150C压力试验机进行刀具静力侵入花岗岩破碎试验,采用AEwin-USB型声发射和KBD5电磁辐射采集系统接收声发射和电磁辐射信号,开展了刀具破岩过程中声发射和电磁辐射特性及加载速率对其影响的研究。以3种加载速率分别为0.001 mm/s、0.01 mm/s、0.1 mm/s进行破岩试验,结果表明:刀具受载侵入破岩过程中产生声发射和电磁辐射现象,采集的两信号波形变化与刀具侵入载荷曲线均呈跃进式特征,且具有较好的一致性;随加载速率增加,声发射和电磁辐射信号增强,声发射峰值计数率、能量率和电磁辐射峰值强度、脉冲数与加载速率呈较好的正相关性。     

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。