高压电脉冲破岩机理数值模拟研究

高压电脉冲钻井技术目前已成为一种新型高效的岩石破碎方法,同时也是目前钻井提速领域的研究热点。为了推动高压电脉冲的破岩机理研究,建立了单对电极破碎红砂岩的多物理场耦合电击穿二维数值模型,通过电流场、电击穿场和电路场的耦合再现均质红砂岩中等离子体通道的产生,分析了电极倾角、电压、电极间距对岩石电击穿(岩石内部等离子体通道的形成)的影响规律。研究表明：等离子体通道由靠近放电电极顶端局部区域开始萌生,并朝着岩石局部介电强度薄弱处发展;随着加载脉冲电压值的增大,电击穿发生时刻逐步降低,岩石模型的等效失效体积逐渐增大;在保证岩石能被电击穿的前提下,增大电极间距能提高高压电脉冲的破岩效率;放电电极的电极倾角逐步增大的过程中,岩石等效失效体积出现明显的波动,其极值多数出现在电极倾角35°～55°的范围之内。为了进一步推动高压电脉冲破岩的工业化应用,在二维模型基础上构建了红砂岩的多物理场耦合动态电击穿三维数值模型,再现了电极钻头破岩过程中岩石内部破碎坑的状貌;与此同时,选用自主设计的同轴型电脉冲钻头开展了电击穿室内实验,电击穿室内实验结果与仿真实验结果相互印证。     

非常规碎岩技术的研究进展

论述了非常规碎岩方法——热熔岩法、热机碎岩法和脉冲放电碎岩法的碎岩机理、碎岩工具以及工艺等技术的国内外研究取得的成果。国内的热熔岩技术研究在热熔器结构上取得突破,处于国际先进水平。热机钻进产生的温度能达到岩石的最佳热破碎温度,说明工艺是可行的。脉冲放电碎岩法在小直径钻孔中的试验,表明了其比常规碎岩法具有非常低的能量消耗。     

基于COMSOL的高压放电破碎岩石仿真研究

常规旋挖钻机在钻进硬岩地层钻孔桩时存在进尺困难,钻头磨损大等问题。高压脉冲放电岩石破碎技术作为一种新型非机械式岩石破碎技术,在硬岩钻进领域具有广阔的应用前景。本文在分析高压脉冲放电破碎岩石机理的基础上,运用COMSOL Multiphusics软件,建立电-热-力多物理场耦合模型,开展花岗岩和砂岩在电压、电极间距、电解质等条件下的破碎规律仿真研究。结果表明,随着电压的增大,岩石产生的破碎区域呈线性增大;电极间距的增大导致岩石破碎区域减小;液体介质的电导率大小对放电结果的影响不大;选用多电极对放电可有效增加岩石的破碎面积。研究结果可为高压放电破碎岩石技术提供参考。     

铜丝电爆炸载荷下红砂岩破裂行为实验

金属丝电爆炸破碎岩石是一种环保且有前景的爆破技术。为进一步认识岩石在金属丝电爆炸载荷下的破裂行为,基于高压脉冲放电实验平台,开展了直铜丝电爆炸破碎红砂岩的模型实验研究。借助超高速相机观测了试件表面裂纹的起裂和扩展过程,探讨了放电电压和爆源位置等因素对岩石破裂效果的影响,具有一定的创新性。结果表明,随着放电电压增加,岩石破裂程度变得更加严重。30 kV电压下,金属丝发生电爆炸,但并未有效破裂岩石;40 kV电压下,试件出现数条宏观裂纹,红砂岩破裂成碎块状。此外,爆源到试件表面的距离越近,试件表面的裂纹越发育,试件的破碎程度越严重。     

基于冲击载荷的硬质合金球齿碎岩机理研究

在滑坡防治大直径桩孔施工过程中,快速钻进是治理成功的关键。因此选用合适的钻进机具与工艺极其重要,而气动潜孔锤因钻进效率高被广泛应用。气动潜孔锤钻进过程中,通过钻头底部球齿对岩石进行切削,达到高效碎岩目的,但球齿在破碎岩石过程中若冲击功选用不恰当,会导致能量损耗增大、球齿磨损较快、钻进效率低等问题,因此选用合适的冲击功进行碎岩具有重要意义。本文采用ABAQUS软件对单个球齿冲击岩石的过程进行了数值模拟,并进行了冲锤自由落体冲击实验,分析Φ19 mm的球齿在不同冲击功条件下的碎岩机理、破碎面积的变化规律。结果表明球齿碎岩机理分为3个阶段:弹性变形、压裂、体积破碎,且当球齿以30 J冲击功钻进花岗岩时,可有效降低能量损耗与提高碎岩效率。     

采用放电方法破碎岩石和建筑结构物的移动设备

考虑到城市对生态清洁工艺的迫切要求和工业、民用工程项目的大规模的改建,莫斯科政府支持应用物理和高科技工艺国际研究所研究放电方法破碎岩石和建筑结构物,并在此基础上研制专门的工业设备。他们与莫斯科的建筑工业合作,制造一种可移的、能够保证适应各种场合的设备,包括露天开采建筑材料的采石场,作为主要方向。作为该设备的功能是采用电动液压(即所谓的放电的或等离子体的)方法,利用冲击波和巨大的脉冲压力破碎坚硬的物料。该方法的实质是利用在集聚的介质中通过强大的电流脉冲,在放电的等离子体孔道内放出能量。当破碎岩块或混凝土块…     

气动冲旋钻头破岩过程仿真研究

运用有限元软件LS-DYNA对气动冲旋钻头一次冲击情况下的破岩过程进行了仿真研究,阐述了冲旋钻井过程中钻头与岩石互作用数值研究的相关问题,并对钻头破碎岩石的几个阶段进行了详细的描述.研究表明:钻头破碎岩石的过程分为四个阶段:①中心齿破碎岩石,形成破碎坑阶段.②第二排齿破碎岩石,形成破碎坑阶段.③边齿破碎岩石,形成破碎坑阶段.④整体破碎坑形成阶段.在冲击旋转作用下岩石破碎形态主要有三种:破碎坑、损伤区和无损伤区.钻头产生破碎坑区域越大,钻头破岩效率就越高;损伤区能不同程度地降低了岩石的强度,有利于旋转刮削破岩和下一次冲击破岩,文中所示钻头破碎岩石形成的破碎坑脊部过宽,不利于钻头刮削破碎岩石,原因是钻头部分牙齿之间距离过大.     

单齿回转切削力学模型的研究进展

碎岩机理研究是提升碎岩效率和提高钻头寿命的前提和依据,而回转切削力学模型是碎岩机理的重要研究基础。通过对国内外典型单齿回转切削力学模型调研分析,归纳出力学模型研究动态主要表现在基于岩石不同破碎形式及岩石与切削齿不同接触形式方面。岩石切削力的分解由初期的切向力和轴向力,发展为主切削力、摩擦力以及切削齿磨钝后力的分解,认为切削力的分解及传递过程直接影响切削齿对岩石作用的应力分布状态,从而导致岩石破碎形式的差异。这些差异主要体现在岩石宏观和微观2种不同破碎形式:岩石的宏观破碎形式主要是由拉伸作用或者剪切作用导致破碎;岩石的微观破碎形式表现为拉剪联合作用导致破碎。微观破碎以内部裂隙产生到裂纹扩展,最终导致岩石宏观破碎现象。最后对单齿回转切削力学模型研究的发展方向提出一定建议。     

高压电脉冲破岩试验装置的研制

高压电脉冲破岩钻进在国际上被认为是一种在深部钻探中具有广阔发展前景的破岩方法,但在国内研究还很少。本文设计制造了一套高压电脉冲破岩试验装置,包含伺服电动缸、控制柜、岩石容器等部件,试验装置配套了Ø60 mm和Ø100 mm的电脉冲钻头,可选择手动或自动加压放电破碎岩石。在放电电压为120 kV、放电频率为1 Hz的条件下进行了红砂岩等岩石的钻进试验,实现了60 mm口径的钻进碎岩。试验结果表明,该装置能满足电脉冲破岩试验的基本要求,可用于电脉冲碎岩室内研究。     

电容电路短路火花放电特性及其建模研究

利用安全火花试验装置,得出了电容电路的短路放电电压和电流波形,指出电容的短路火花放电过程可分为4个阶段,即介质击穿、火花产生、火花维持和火花熄灭阶段。提出了一款能模拟电容有触点短路放电过程的模型电路。对放电持续时间与电容及其初始电压间的关系进行了实验研究,指出放电持续时间与电容量近似成线性关系,而与初始电压无关。利用最小二乘法得到了放电持续时间与电容量之间的关系表达式。获得了放电过程各阶段的等效电阻,建立了电容电路有触点短路火花放电的数学模型,得出了放电电流和电压表达式。实例及实验结果验证了所提出模型及理论分析的正确性和可行性。     

共振碎岩理论的初步探究

通过对岩石裂隙的探究,结合振动系统发生共振时的破坏作用,提出了共振破碎岩石的新理论.分析了共振碎岩的机理、岩块裂隙扩张过程和裂隙的分布情况,最终得出了岩石在共振作用下的破碎过程,为破碎岩石提供了一种新的方法.     

超高速下单粒金刚石与岩石相互作用响应的研究

随着钻进深度的加深,破碎硬岩地层愈发困难,提高转速成为硬岩地层快速有效破碎的可行方法之一。孕镶金刚石钻头在硬岩层中具有较好的应用效果,常规转速下孕镶钻头与岩石之间相互作用机理较为完善,超高转速下也有相应的应用和研究基础,但碎岩机理尚未完全清晰。为探究常规速度至超高速下单粒金刚石对岩石的切削力和硬岩的破碎变化情况,以孕镶钻头和岩石相互作用界面响应模型为基础,利用ABAQUS软件建立单粒金刚石切削岩石的二维模型,并提出一种近似分析方法,并进一步推导单粒金刚石受力表达式。结果表明：（1）单粒金刚石对岩石的切削作用主要集中在切削具与岩石接触界面的中上部,高速下比常规切削速度下单粒金刚石受切削力减小,且主要作用部位受到切削速度改变的影响。（2）金刚石颗粒作用岩石中存在塑性破坏和脆性破坏且两种破坏模式交替产生,超高速下岩石产生脆性破坏的比例相比于常规切削速度有所增加,且超高速下切削力波动范围更小,岩石破碎所需的能量更少。（3）提出一种孕镶金刚石钻头碎岩响应近似分析方法,将产生碎岩作用的金刚石颗粒等价为具有“刀尖”和“前、后刀面”的切削具进行分析,推导得到单粒金刚石受力表达式,其受力与切削速度、切削深度等因素有关。研究结果可以为提高转速切削硬岩地层的进一步研究及应用提供依据和参考。     

激光碎岩技术的研究

激光碎岩钻井技术尚处于理论探索阶段,是一项具有前瞻性的破岩新技术。通过研究激光碎岩机理,深入认识了激光碎岩过程中可能出现的破坏形式(热膨胀性破坏、热熔性破坏、热蒸发性破坏)。分析二次效应和比能,间接找出了影响激光碎岩效率的因素(岩石的矿物成分、岩石的特性、入射激光的平均功率、气流速度)。     

刀具破岩声发射能量理论分析及数值模拟

根据刀具破岩过程中声发射的产生与应力场存在的耦合关系,从细观上分析了声发射能量与应力之间的关系,确定了刀具静力侵入岩石破碎时声发射能量的关系式;应用岩石破裂分析软件RFPA~(2D)进行刀具破岩声发射数值实验。结果表明:刀具静力侵入单位体积岩石破碎释放的声发射能量与加载速率、岩石抗压强度、岩石弹性模量、刀具形状以及刀具与岩石的摩擦系数等有关;随加载速率增加(一定范围内),两种刀具破岩释放声发射累积能量急剧增加,随后声发射累积能量增加缓慢;十字型刀具破碎岩石单元和声发射累积能量均大于一字型刀具,且破碎岩石所需时间减小;适当增大加载速率可以提高刀具破岩效果。     

液电脉冲激波碎煤能量转换效率分析

能量转换效率是煤破碎技术实际工程应用中最为关注的指标之一,液电脉冲激波碎煤作为一种新型的碎煤技术,对其能量转换效率的研究相对缺乏。为研究利用液电脉冲激波碎煤过程的能量转换效率,指导液电脉冲激波碎煤新技术的工程应用,根据液中高压脉冲放电产生冲击波的原理搭建了液电脉冲激波碎煤综合试验平台,从能量转换的角度分析了液电脉冲激波碎煤的物理过程。利用液中高压脉冲放电等离子体通道等效电阻、液电激波压力和煤破碎能量的数学模型,结合液电激波碎煤过程中的能量转换平衡特性,建立了放电回路参数和碎煤能量转换效率之间的关系。避免了复杂的电气、等离子体、流体力学和断裂力学等环节的分析,得到了不同电容充电电压,即不同电容初始储能条件下,液电脉冲激波碎煤过程中各能量参数及其转换效率。分析和试验结果表明：随着电容充电电压的提高,电容储能增大,煤破碎的程度越大,破碎的效果越好,即小粒度的破碎产物所占比重增加;在特定的应用条件下,液电脉冲激波碎煤能量效率存在最大值,试验条件下的液电激波碎煤最高能量效率为0.64%。综合考虑液电脉冲激波碎煤过程的能量转换效率和经济效益,低能耗、高效率的液电脉冲激波碎煤技术是未来发展的方向。     

基于离散元的超声波振动辅助TBM滚刀碎岩分析

超声振动辅助碎岩技术以其弱化岩石强度、降低切削力、加快钻进速度等优势受到广泛关注,将超声振动技术与滚刀结合,能有效提升隧道硬岩施工滚刀破岩效率.采用颗粒流离散元软件对超声波振动辅助滚刀碎岩过程进行了模拟研究,结果表明,超声波振动能够产生周期性应力波并向岩石内部传播,在岩石的近表面区域出现较强的拉应力,有助于浅层岩石的张拉破坏.超声波振动提升了岩石内部裂纹的生成规模,加快了裂纹的生成速度,提前了裂纹初次萌生时间,对滚刀的破岩性能有良好的增益效果.超声波振动下岩石裂纹生成更加平稳,减少了跃进式破碎现象,能够避免因剧烈振动产生的冲击载荷对滚刀产生异常磨损和破坏,对延长滚刀寿命具有促进作用.     

旋挖钻机碎岩计算方式的分析探讨

结合外载碎岩基本现象,对旋挖碎岩基本过程进行分析,得出其在回转钻进情况下的螺旋破碎的碎岩形式。然后根据岩石破碎时的压入条件,以单个截齿为研究模型,得出轴向压力的理论计算公式,继而参考库伦纳维的内摩擦理论,得出了切削力的理论计算公式。根据不同钻具形式,将单个截齿的计算公式扩展,得到了旋挖钻机压力和扭矩参数的计算公式。将轴向力与切削力计算公式中在特定工况下的影响因子简化,得出了旋挖钻机钻进过程中进尺速度与切削力的理论关系。最后利用LS-DYNA动态分析软件模拟了单个截齿在不同侵深条件下的切削力变化曲线,并将曲线与同等工况下理论计算的曲线进行对比,得出单个截齿的入岩参数理论计算公式。可为入岩旋挖钻机设计提供参考。     

基于Selfrag高压电脉冲放电破岩试验的仿真模拟

高压电脉冲破岩在高温等离子弧的作用下,产生的热应力超过岩石的强度极限时就会使岩石破碎,其破碎坚硬岩石有显著效果.为研究电压、岩石矿物成分、孔隙率3个参数对岩石内电场强度分布的影响,本文基于Selfrag高压电脉冲破岩的试验数据,利用COMSOL Multiphysics仿真软件建立了一种针针电极结构仿真模型.结果表明,施加的电压不同,岩石内部电场强度分布不同;电场在不同矿物成分边界发生畸变,不同矿物成分相对介电常数变化越大,产生畸变越明显,高压电脉冲破碎优先发生在不同矿物成分的接触面;岩石内孔隙的存在,使其周围的电场发生了畸变,其他参数一定,孔隙率越大,岩石越容易被电击穿.研究结论可为高压电脉冲钻井破岩参数的选取提供参考.     

矿岩爆破破碎机理、块度分布与测量技术研究动态

以11届国际岩石爆破破碎会议论文为参考,结合国内近3 a来的研究成果,归纳总结了国内外研究者在岩石爆破破碎理论、爆破块度模型及分布函数分析、岩石爆破破碎数值计算和岩石块度测量技术4个方面的研究成果。分析讨论了国外学者在矿山岩石爆破破碎领域的研究动态和未来发展趋势,认为在矿岩爆破破碎的理论研究方面,我国具有领先优势,在爆破块度模型及统计函数研究方面的创新意识明显,但在数值软件开发与图像处理等自动化、智能化方面还存在差距。期望讨论结果能为我国的科研工作者以及技术人员在矿岩爆破破碎、爆炸能量利用与矿岩高效开采研究方面提供有益参考。     

矿井电气设备故障火花放电电磁场特性研究

针对电气设备故障火花放电产生的电磁场问题进行研究,利用时域有限差分法建立电气火花放电电磁脉冲辐射的数值模型。分析电气火花放电电流方式,结合实际所测得放电电流信号,建立指数振荡衰减电流模型并对其进行仿真计算。采用强迫法放置电火花电偶极子源,通过对多个不同坐标位置下的电场分量和磁场分量解析解、数值解和实测值的数据分析,得出磁场波形轮廓近似于放电电流波形,即火花放电的近场区域内放电电流项对磁场起主要作用的结论,为电气火花电磁场测试及防护提供理论支撑。