基于仪器钻进系统的风化花岗岩地层界面识别

针对香港风化花岗岩场址勘探,在液压旋转钻机上安装钻孔过程监测系统(drilling process monitoring,DPM),对有效轴压力、钻具转速、冲洗压力、钻头位移及穿孔速率进行了实时监测.采用变斜率作为显著性指数,对地层中的主、次界面进行了识别.t检验表明,DPM系统对岩土界面识别的置信度为99%.此外,对穿孔参数在界面处的变化分析表明,这些参数随孔深的变化曲线在界面处存在不同涨落,轴压力和穿孔速率对界面上岩石强度变化的响应度为81.82%.     

冲击凿岩的凿入模型和凿入效率的波动力学解

本文通过实验和分析得出:衡量冲击凿岩系统匹配优劣的凿入效率无需考虑卸荷时岩石的弹回。并在此基础上,用应力波能量平衡的观点推导出了动凿入效率的表达式。结果表明:按应力波能量的观点求得的动凿入效率与按静功观点求得的凿入效率是一致的,从而证实了静功法求动凿入效率的可行性.     

基于岩石可钻性指标的地层界面识别理论与方法

岩石可钻性指标是石油、矿山及地质部门广泛用于钻头选择和制定生产定额的重要参数,但现行可钻性指标的定义及参数获取的实验方法还存在许多问题.通过分析,重新定义了岩石的可钻性,提出了以单位能量下的穿孔速率作为可钻性指标的新概念;基于钻进过程中有效轴压、转速、穿孔速率和可钻性指标间的耦合关系,建立了可钻性指标的计算公式.同时,对新的可钻性指标在地层识别中的敏感性进行了分析,阐述了可钻性指标在地层识别中的物理意义.研究表明,新的可钻性指标克服了传统可钻性指标在判层中存在的盲区,并可实现沿钻孔剖面的连续判层.     

空气潜孔锤在水文水井钻探中的应用

空气潜孔锤是一种利用压缩空气驱动的气动冲击器。其冲击能量和冲击频率可直接传给水钻(水井钻机,以下简称水钻)系统的钻头,由水钻和钻杆的转动驱动,同时利用水钻中的压缩空气冷却工件,将破碎的岩石从孔洞中取出。因此采用气动钻井系统就可以达到井底冲击旋转钻进的目的。另外,鉴于传统的施工方式,空气潜孔锤不适用于矿山钻孔结构的施工中,结构的稳定性和耐久性较低。因此,空气潜孔锤在矿山钻孔中的应用是该工程的委托施工矿用凿岩结构可以提高凿岩效率,降低凿岩成本;通过选用矿用凿岩建筑物冲洗液,可以满足空气潜孔锤钻进技术对低粘度、低密度、低剪切、高润滑能力的要求和矿用凿岩建筑物对地层护壁的要求。设计实例分析表明,该设计方法的可持续性显著高于对照组,说明该设计方法具有较好的设计可靠性。     

层状复合岩体损伤演化规律及分形特征

利用砂岩、大理岩、花岗岩制作6种不同组合方式的层状复合岩石,采用分离式霍普金森压杆试验系统,对不同组合方式的层状岩石进行动态冲击试验,利用高速相机记录其破坏形态,分析复合岩石材料的动态断裂模式、波阻抗效应以及能量耗散规律,探究不同复合岩石试件的动能及断裂能关系. 利用离散格子弹簧模型模拟复合岩石试件的动态断裂过程,分析复合试件的应力波传播特性及应力、损伤演化规律. 研究结果表明：复合岩石材料的动态断裂特征与上下层材料具有相关性,当下层材料动态起裂韧度较低时,裂纹从起裂至扩展到岩石胶结面历时较短. 上层材料对于复合岩石的应力传导作用具有较大的相关性,上层材料密度越大,更有利于透射波传递,应力传导效果越好,而下层材料与上层材料密度相差越大,胶结面上下端应力差越大;受波阻抗效应影响,复合岩石试件应力波的传播行为具有明显差异,波阻抗越大应力波传播速度越快,透射系数越大,产生更多的透射能;复合岩石试件的耗散能时密度、动能及断裂能与上下层岩石材料的密度有关,下层材料不变,上层材料密度越大时,耗散能时密度及断裂能更小,试件完全断裂时获得较大的动能.     

煤岩体应力–渗流–温度多过程耦合试验系统

在矿山深部开采过程中,高应力与高水压耦合作用导致岩石的力学特性演化机理更加复杂. 为分析深部复杂条件下花岗岩的力学行为及破坏特征,利用低场核磁共振核技术(NMR)进行花岗岩初始孔隙率测量,借助岩石高温三轴流变系统开展应力–渗流耦合试验,引入耗能比实现花岗岩破坏过程的能量演化分析. 研究结果表明：岩石的峰值强度、峰值应变随孔隙水压的增大呈线性减小且减小速率逐渐提升,随围压的增大呈线性增加且增大速率逐渐变缓;峰值渗透率随着孔隙水压的增大呈线性增大,随围压的增大呈线性减小;岩石破坏应变能表现出明显的围压效应和孔隙水压效应,峰值应力点为弹性能极值点,峰值点之后弹性能迅速转化为岩石损伤的耗散能,岩石耗能比整体呈现增大→减小→增加的“S”型变化规律;引入花岗岩初始孔隙率,将岩石视为固体骨架和孔隙两部分组成,综合考虑变形特征并构建应力–渗流耦合本构模型,与试验对比后认为该模型具有较高普适性.

     

空气潜孔锤在水文水井钻探中的应用

空气潜孔锤是一种利用压缩空气驱动的气动冲击器。其冲击能量和冲击频率可直接传给水钻(水井钻机,以下简称水钻)系统的钻头,由水钻和钻杆的转动驱动,同时利用水钻中的压缩空气冷却工件,将破碎的岩石从孔洞中取出。因此采用气动钻井系统就可以达到井底冲击旋转钻进的目的。另外,鉴于传统的施工方式,空气潜孔锤不适用于矿山钻孔结构的施工中,结构的稳定性和耐久性较低。因此,空气潜孔锤在矿山钻孔中的应用是该工程的委托施工矿用凿岩结构可以提高凿岩效率,降低凿岩成本;通过选用矿用凿岩建筑物冲洗液,可以满足空气潜孔锤钻进技术对低粘度、低密度、低剪切、高润滑能力的要求和矿用凿岩建筑物对地层护壁的要求。设计实例分析表明,该设计方法的可持续性显著高于对照组,说明该设计方法具有较好的设计可靠性。     

静载荷与循环冲击组合作用下岩石损伤本构模型研究

建立合理的损伤本构模型,对研究岩石在静载荷与循环冲击组合作用下的动态力学性能具有重要的意义. 首先,基于静载荷与循环冲击组合作用下岩石的损伤累积演化模型,结合岩石弹性模量与累积损伤变量的关系,将循环冲击次数引入岩石损伤本构关系中. 接着,假设岩石微元体强度服从Weibull分布,将统计损伤模型和黏弹性模型相结合,并根据Drucker-Prager破坏准则,建立有轴压有围压时循环冲击作用下岩石的动态损伤本构模型.进而,利用岩石动静组合加载试验数据验证损伤本构模型的正确性和可行性. 最后,研究模型中参数对循环冲击过程中应力-应变曲线的影响规律.结果表明,建立的岩石损伤本构模型较好地与试验数据吻合,能较好地反映具有静载荷的岩石在循环冲击过程中的本构关系.岩石的弹性模量、黏性系数等参数对循环冲击时岩石的应力-应变曲线影响较大;而岩石的摩擦角和泊松比等对具有三维静载岩石的冲击疲劳应力-应变曲线影响较小. 循环冲击过程中,岩石的非均匀度逐渐增加. 研究结果有益于完善静载荷与循环冲击组合作用下岩石动态疲劳力学理论体系.      

高温花岗岩热冲击后力学特性及损伤演化规律研究

在干热型地热资源开发过程中,高温岩石面临遇水冷却引起的热冲击损伤问题。为了研究高温花岗岩在热冲击作用后的力学特性和损伤演化规律,开展了25～600 ℃范围内不同温度热冲击作用下花岗岩试件的单轴压缩试验,获得了热冲击花岗岩试件的应力?应变关系;提出了一种考虑初始热冲击损伤与加载期间试件微元破裂损伤相结合的热?力耦合损伤本构模型,并对统计损伤本构模型的相关参数进行了理论求解;考虑热冲击损伤引起的孔隙结构劣化效应,引入压密系数对热冲击花岗岩的本构关系进行了修正;通过试验应力?应变曲线对模型的有效性进行了对比和验证,讨论了温度水平对热冲击花岗岩单轴压缩损伤演化规律的影响。研究结果表明,随着热冲击温度的升高,花岗岩试件的初始热损伤不断增大,应力?应变曲线具有明显的非线性压密阶段;引入压密系数修正的统计损伤本构模型能够更加准确地表征热冲击花岗岩在初始加载阶段的非线性压密特征;在热冲击温度较低时,损伤变量演化曲线上升较为陡峭,随着热冲击温度的升高,曲线上升速率逐渐变缓并由非线性向线性转变。      

不同热冲击过程花岗岩Ⅰ型和Ⅱ型断裂特性研究

在岩石工程中发生的与高温相关的灾害中,快速降温的影响(热冲击)不可忽视,因此,研究在不同程度的热冲击作用下花岗岩的断裂特性可以对遭受高温灾害后岩石工程的稳定性分析提供理论依据和技术支撑.在本研究中,花岗岩被加热至目标温度(200℃、400℃、600℃),利用制冷剂的不同温度(-20℃、20℃、60℃)为高温试样提供不同...     

高炉开铁口机的轴压扭矩分析

通过对开铁口机轴压扭矩的分析和研究,得出了在旋转钻进过程中增加冲打是提高钻进速度的有效手段.当激振力为10kN,送进力取1.5~4.5kN时,冲打作用能够使钻进速度比不冲打时提高约1.5~2.5倍,平均扭矩约为不冲打时的1/4~1/2.     

振动冲击下PDC切削齿在层理岩层的破岩仿真分析

层理岩层是钻井工程中经常遇到的一类岩层,存在地质条件复杂、非均质性强、软硬交错、地层倾角大等特点,PDC钻头在该类岩层破岩效率低,经常发生先期损失。为了提高PDC钻头在层理岩层的破岩效率,以Drucker-Prager准则作为岩石的本构关系,用有限元软件建立PDC切削齿在振动冲击下破岩的仿真模型,研究了层理岩层在PDC切削齿切削过程中的破碎情况及PDC切削齿在不同振动频率和冲击幅度下对层理岩层破岩效率的影响。研究表明:振动频率越高,破岩比功越小,冲击幅值大小与破岩比功无明显相关性,振动冲击载荷有利于提高层理岩层的破岩效率。     

基于核磁共振的不同含水状态砂岩动态损伤规律

为研究不同含水状态岩石的动态损伤特性,制备干燥、半饱和、饱和3种不同含水状态的砂岩试样.采用分离式霍普金森压杆（SHPB）,以4种不同的低入射能对岩石进行损伤冲击试验.通过核磁共振测试实验对岩石试样进行孔隙扫描,获取岩石孔隙的T₂谱曲线、孔隙度以及孔隙成像等数据.通过试验发现：（1）冲击能量的增加导致岩石的平均应变率和强度的增大;（2）不同含水状态的岩石受到冲击后,孔隙度与孔隙度变化率均有不同程度的增加;（3）与冲击前相比,岩石的T₂谱曲线有明显右移趋势,同时出现谱峰增加的现象,而且冲击能量越大,孔隙谱峰增加越明显;（4）核磁共振成像显示岩石孔隙数量和尺寸有明显的增加,展现出岩石内部孔隙扩展和演化的过程.     

基于SHPB的不同含水状态砂岩动态响应

为研究不同含水状态岩石力学性质的变化规律,并保证仅受含水量这一单一因素的影响,以砂岩作为试验材料,制备饱和系数分别为2.82%、52.11%、100%的干燥、半饱和、饱和三种不同含水状态的岩石试样,进行静载以及8种不同冲击能量作用下的动力学性质的研究.通过试验可知：在静载作用下,相比干燥岩石,半饱和、饱和岩石试样的应力-应变曲线随含水量增加出现了峰值明显降低的现象,抗压强度分别降低了8.12%、19.26%.动载作用下,随应变率的增加,3种岩石强度均呈现不同程度的线性变化,应力-应变曲线出现右移及峰值增加的现象,且干燥岩石与含水岩石在卸载阶段有明显不同的两种趋势,特别是在卸载第二阶段.而在相同冲击能量作用下,岩石的含水量越大,其破碎程度越大.     

侧向冲击荷载下钢筋混凝土墩柱的性能

采用数值仿真技术建立了足尺钢筋混凝土墩柱精细有限元模型, 分析了侧向冲击荷载下墩柱的动态响应和抗冲击性能, 提出了一种基于截面损伤因子的损伤评估方法, 讨论了不同碰撞参数对钢筋混凝土墩柱破坏模式和损伤机理的影响.结果表明: 冲击荷载下钢筋混凝土墩柱的耗能主要分为接触区域局部耗能和构件整体耗能; 当冲击体的初始动能恒定时, 冲击质量和冲击速度的不同组合会导致钢筋混凝土墩柱损伤破坏机理的显著差异; 基于截面损伤因子的损伤评估方法可以比较准确地描述墩柱的破坏状态.轴压力对墩柱抗撞能力的有利贡献比较有限, 且墩柱随着轴力的增大更易发生剪切破坏; 冲头刚度对碰撞力和墩柱动态响应的影响十分显著.      

侧向冲击荷载下钢筋混凝土墩柱的性能

采用数值仿真技术建立了足尺钢筋混凝土墩柱精细有限元模型,分析了侧向冲击荷载下墩柱的动态响应和抗冲击性能,提出了一种基于截面损伤因子的损伤评估方法,讨论了不同碰撞参数对钢筋混凝土墩柱破坏模式和损伤机理的影响.结果表明:冲击荷载下钢筋混凝土墩柱的耗能主要分为接触区域局部耗能和构件整体耗能;当冲击体的初始动能恒定时,冲击质量和冲击速度的不同组合会导致钢筋混凝土墩柱损伤破坏机理的显著差异;基于截面损伤因子的损伤评估方法可以比较准确地描述墩柱的破坏状态.轴压力对墩柱抗撞能力的有利贡献比较有限,且墩柱随着轴力的增大更易发生剪切破坏;冲头刚度对碰撞力和墩柱动态响应的影响十分显著.     

应力波形对岩石爆生裂纹扩展机制影响的数值模拟

运用RFPA3D动力分析软件模拟了冲击动力作用下含预制裂纹岩石的裂纹扩展过程,探究了应力波峰值、能量、上升及下降速率对岩石裂纹扩展过程的影响。研究表明动载下岩石裂纹扩展形态受应力波上升速率影响,应力波上升速率越快,孔周边岩石越破碎;应力波能量影响裂纹扩展长度,能量越大裂纹扩展越长,而相同能量条件下,应力波上升速率越小,裂纹扩展距离越远,但孔边破碎程度越弱;上升速率和应力波上升沿能量共同影响着炮孔粉碎区半径。数值模拟结果很好地揭示了不同应力波峰值、能量与上升/下降速率对岩石的破碎机制,在实际爆破作业中可以通过水炮泥封口或者采用空气柱间隔装药结构来延长应力波作用时间,以达到扩大爆破影响范围的目的,而通过选取合适类型与配比的炸药来提升应力波上升速率从而增强孔边破碎效果。      

张拉作用下岩石破裂的声发射特性及P波初动极性

为深入探讨岩石在张拉作用下破裂的声发射特性,设计了一种膨胀剂扩张破裂的声发射实验,详细分析了花岗岩、大理岩和红砂岩声发射信号的特征参数及P波初动极性。实验结果表明:声发射信号的累积计数和能量在三种岩石试样宏观开裂时均呈指数增长;花岗岩、大理岩和红纱岩试样声发射信号的中心频率分别主要集中在100 ~ 300 kHz、200 ~ 400 kHz、200 ~ 500 kHz;花岗岩低频率事件占比最多,大理岩高频率事件占比较多,而红砂岩高频事件占比最多, 三种岩样膨胀力荷载后期低中心频率声发射信号增多,说明大尺度破裂增加;三种岩样声发射信号的RA主要集中在0~1.9之间,大理岩和红砂岩AF值主要集中在50 ~ 100 kHz之间,花岗岩AF值主要集中在200 ~ 250 kHz之间,RA?AF的分布特性表明,实验中岩样主要以张拉破坏为主;通过P波初动极性分析法,获得各岩样声发射信号的初动极性,结果显示,花岗岩、大理岩和红砂岩分别有77.82%、79.5%和87.42%的T-型破裂源,花岗岩、大理岩几乎不产生S-型破裂源,而红砂岩因为天然节理裂隙较多,有9.93%的S-型破裂源。RA?AF分布分析和p波初动极性分析都是统计分析法,可以定性描述岩石破裂类型。      

含孔洞岩石在静应力下的循环冲击试验研究

为探究地下工程开挖过程中外部荷载对周边围岩多重扰动作用的影响,进一步开展岩石在动静组合作用下的循环冲击试验研究,通过改进式SHPB试验装置研究含横向贯通孔洞花岗岩(φ50 mm×50 mm)在循环冲击荷载下的动态力学特性,采用轴压水平分别为0MPa,0.3σ_f,0.4σ_f,0.5σ_f,0.6σ_f,0.7σ_f进行循环冲击试验(σ_f为单轴平均抗压强度,单位为MPa)。结果表明:在冲击荷载作用下,峰值应力随着冲击荷载作用次数的增加先增大后减小,并随着平均应变率的增大而增大;弹性模量随着冲击次数的增加先增大后降低,在不同轴压水平作用下试件冲击破坏形态均为轴向劈裂破坏模式;随着应变速率增大,破裂面逐渐增多,破碎程度加剧,碎块尺寸减小;应变率较小时,破碎效果不明显,应变率较大时,破碎效果显著。     

含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射特征

利用MTS 815.03岩石试验机对试件进行三轴压缩试验,采用DISP声发射测试系统进行声发射数据收集,并对含陡倾角软弱结构面的岩体试件和岩石试件进行试验对比.两种试件随围压的增加强度逐渐增加,破坏由脆性向延性转变;岩体试件总是沿结构面滑移破坏,岩石试件为剪切破坏.随着围压的增加,两种试件的弹性模量、变形模量、峰值应变和峰值强度增加;岩体试件弹性模量、变形模量值和峰值强度低于岩石试件,而峰值应变高于岩石试件.岩体试件内摩擦角小于岩石试件,而黏聚力大于岩石试件.随围压的增加,两种试件在峰值应力阶段声发射事件远高于其他阶段,而岩体试件声发射事件集聚量远远高于岩石试件.研究结果表明软弱结构面的存在降低了岩体的力学性质,因此在高放废物地质处置库选址时结构面发育特征是需要考虑的关键因素.