评价岩石脆性指标对滚刀破岩效率的影响

 脆性是岩石重要的力学性质之一。岩石脆性与滚刀破岩效率密切相关,但目前还没有统一的用于评价滚刀破岩效率的岩石脆性指标。总结现有的35种脆性指标,将其分为基于强度、应变、应变能、硬度、莫尔包络线、特殊试验和其他等7种类型。为研究岩石脆性与滚刀破岩效率之间的关系,通过滚刀贯入试验,引入归一化比能概念,提出表征岩石脆性的新指标,重点研究基于强度和贯入试验的脆性指标与归一化比能之间的关系。试验结果表明：(1) 滚刀更难贯入高强度岩石;(2) 脆性指标B2和B4与归一化比能之间呈强烈的指数函数关系,随着脆性的增高,归一化比能降低,滚刀破岩效率增高,应优先选用脆性指标B2来评价滚刀破岩效率,其次是脆性指标B4;(3) 将单轴抗压强度约20 MPa定义为单轴抗压强度过渡值,滚刀不适宜切削单轴抗压强度小于20 MPa的软岩。试验结果对评价滚刀破岩效率时岩石脆性指标的选取具有一定的指导意义。     

基于岩碴粒径分布规律的TBM破岩效率分析

岩碴的形状、大小及其粒径分布规律是综合反映TBM破岩效率的重要指标,也是TBM掘进参数与岩石性质的重要联系。根据盘形滚刀破岩机制,对TBM掘进岩碴进行了现场量测和筛分试验,获得了TBM岩碴尺寸特征和粒径分布规律。在此基础上,对实测岩碴尺寸和粒径分布数据进行了统计分析和理论分布函数拟合。分析了粗糙度指数与岩石强度、岩石耐磨性的关系,探讨了不同围岩等级下粗糙度指数随掘进推力的变化规律。研究结果表明：①片状岩碴的长轴与短轴之比约为1.5,而长轴与厚度之比则差别较大,其长轴、短轴和厚度均服从正态分布;②不同岩性条件下岩碴粒径分布均符合Rosin-Rammler函数分布;③岩碴粗糙度指数越大,TBM破岩效率越高;硬岩条件下岩碴粗糙度指数随单轴饱和抗压强度增大而减小,而中硬—软岩条件下则相反;④无论是软岩还是硬岩,岩碴粗糙度指数随岩石耐磨性增大而减小,岩石耐磨性越强,TBM破岩效率越低;⑤TBM破岩效率与围岩等级密切相关,可根据现场实测岩碴粒径分布规律,确定Ⅱ级和Ⅲ级围岩条件下TBM破岩效率最佳时的掘进推力区间。     

高压水射流破岩相关理论分析

高效破岩技术是钻井工程中的基础技术,是提高破岩效率、减少钻进时间和降低成本的有效措施。简要归纳了稳定连续高压水射流破碎岩石的几种主要理论,分析了其破岩过程和机理,并比较了水射流参数对破岩(以砂岩为破碎对象)效果的影响,为高压水射流破岩技术在地质勘察领域的研究及其应用推广提供借鉴。     

多滚刀破岩时磨损状态对刀具破岩力的影响分析

在TBM掘进过程中,滚刀作为主要的破岩工具不可避免地会发生各式各样的磨损,但关于滚刀磨损后滚刀群中各滚刀受力特性变化的研究仍较为缺乏.通过ABAQUS软件对三滚刀顺序切削破岩过程进行模拟,对不同位置滚刀发生磨损后滚刀群中各滚刀的受力情况展开分析.结果表明,当三滚刀按顺序破岩时,首先进行切削的滚刀垂直力与滚动力越大,后进...     

节理倾向对TBM滚刀破岩模式及掘进速率影响的试验研究

 岩体中节理面与掘进方向的夹角是影响TBM破岩速率的一个重要因素。通过试验对TBM滚刀破岩时不同节理面与掘进方向夹角的影响效果进行研究,试验采用2种不同强度的混凝土试块模拟岩石,节理面与加载力夹角?分别为0°,30°,60°和90°。通过试验分析,主要得出以下结论：(1) 当?从0°增大至60°时,破岩角? 随之增大;当? = 90°时,? = 33°～50°,与Hertzian裂纹破岩角相近。侧向裂纹与节理方向夹角Δ? 随?变化时则保持为40°～70°。对于中间裂纹与节理方向夹角Δ?,当?≤30°时,Δ? = 0°～10°,中间裂纹与节理面接近平行;当?≥60°时,Δ?迅速增大,中间裂纹与节理面相交从而形成破岩碎片;(2) 节理岩体有3种破岩模式：第一种是从刀具下方破碎区生成侧向裂纹并向自由面或节理面扩展形成碎片;第二种是?≥60°时,中间裂纹向节理面扩展而形成碎片;第三种是?≥30°时,由于节理变形使裂纹从节理面起裂并向自由面扩展从而形成破岩碎片;(3) 当? = 60°时,破岩速率达到最高值,节理对高强度岩体的破岩影响程度更大。     

旋转模块式PDC钻头破岩机理研究

针对深部难钻地层钻头的钻速低、寿命短、能耗高等问题,在常规固定齿PDC钻头上引入旋转模块结构,旋转模块齿和固定切削齿“交叉刮切”破碎岩石,提高钻头的破岩效率,且旋转模块齿交替轮流工作的方式使得切削齿冷却及时,减缓切削齿的磨损,延长钻头寿命。介绍了新型钻头的结构特点和工作原理,对旋转模块进行了变参数实验,实验结果表明:旋转模块随着侧转角的增大,转速增加;随着轴倾角的增大,转速降低。研究得到旋转模块在不同结构参数下的切削载荷以及破碎比功的变化规律,验证了旋转模块齿和固定切削齿“交叉刮切”破碎岩石,能够降低破岩比功,为后续旋转模块式PDC钻头的设计提供理论依据和支撑。     

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。     

PDC钻头复合钻进破岩机理及个性化设计探讨

在复合钻进工况下,地面和井下马达的复合驱动虽能使PDC钻头的钻速能得到显著提升,但钻头寿命也会显著缩短。通过研究定向井、水平井下部钻柱的受力变形特性,建立了复合钻进下PDC钻头的运动学模型,研究了转速比、布齿位置、下部钻柱几何状态等对切削齿切削轨迹的影响规律。在此基础上,改进了PDC钻头破岩数字仿真系统,并利用该系统研究了PDC钻头在复合钻进工况下的运动学、切削力学规律以及井底形态特点。研究结果表明:除了高转速因素以外,复合钻进钻头破岩效率增高的主要原因在于PDC钻头切削齿的不平行刮切特性,以及螺杆弯角所导致的钻头牙齿的不均衡切削状态。针对PDC钻头在复合钻井条件下的破岩机理和失效特点,探讨了复合钻进PDC钻头个性化设计的技术思想和实施方法,为复合钻进条件下PDC钻头工作性能的改进提供了理论依据和技术手段。     

基于HJC模型的盾构滚刀破岩能力研究及应用

为探明适用于济南地区不同地层条件下的盾构滚刀,文中基于HJC模型采用LS-DYNA对济南地铁R2线某盾构区间所选用的两种滚刀进行了动力学分析.结果表明刃宽为25mm的平刃滚刀适用于贯入度较大的施工条件,刃宽为22mm的圆刃滚刀在小贯入度情况下破岩效率更高.     

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。     

岩石中侵彻与爆炸作用的近区问题研究

首先，从理论上分析了目前广泛使用的空腔膨胀理论在研究介质中侵彻与爆炸近区过程存在的问题及其产生的原因：然后，从近区应力与变形的实际状态出发，运用动量与质量守恒关系推得了介质近区运动学的关系式，并解决了变形波速确定的问题。运用此关系可以得到揭示侵彻、贯穿比例换算关系和爆炸近区的几何相似关系等简单实用的结果。     

岩石侵彻爆炸效应的数值模拟

运用非线性有限元和爆炸冲击波理论，对侵彻爆炸条件下岩石的破坏效应，如爆炸波传播过程、爆炸成坑效应进行了模拟。计算中对炸药直接划分单元，算例结果验证了所提方法的有效性。     

坝基岩体开挖松弛效应分析与锚固效果评估研究

 针对坝基岩体开挖松弛这类特殊岩石力学问题,系统分析研究松弛判据及参数取值、松弛效应的有限元算法等关键技术问题,基于锚固室内试验和现场试验,推导坝基锚固措施对抗剪安全度效应的经验公式,建立一套简明实用的岩体开挖松弛和锚固分析评估有限元算法。以小湾拱坝为背景,得到坝基岩体松弛的时空特征,对比分析2种锚固方案下小湾拱坝的应力和位移、坝基浅部特征截面特征点安全度和锚杆应力等。计算得到应力–应变场结果与现场监测成果符合较好,说明该研究成果的可靠性和实用性,该研究成果已为设计决策提供依据。     

长杆弹对岩石靶的侵彻分析

采用统一强度理论作为岩石材料的屈服准则,建立了长杆弹垂直侵彻岩石靶体的柱形空腔膨胀模型,给出了卵形长杆弹侵彻靶体深度的理论计算公式,求出了弹体以450～1400m/s的速度撞击岩石靶体的侵彻深度,并和试验结果进行了比较。分析了统一强度理论参数b对侵彻深度的影响。     

隧道工程环境影响的动态优化控制

以地表最大允许沉降值Wmax作为目标控制值，设计了一个用于制定隧道工程环境影响控制策略（施工技术措施）动态优化模型。该模型通过方案设计与施工两个阶段的优化调整，预先将环境影响的风险因素合理地分配到施工的每一步，使每一步的施工技术措施都具有明确的环境控制目标；当实际情况与预测情况有偏差时，能够及时对施工文豪姝后续施工措施进行调整，如此反复，直到施工结束，即可对环境影响进行有效的控制。同时，还对目标限定值的规律进行了分析研究。     

弹体在岩石中侵彻与贯穿计算原理

根据岩石抗侵彻过程中变形和破坏状态，提出了岩石的变形与破坏模型。利用波阵面上的动量守恒关系和弹体表面的运动规律，得到了有别于国内外的作用在弹体表面的应力表达式。通过破碎区与径向裂缝区的能量传输关系，得到了侵彻与贯穿问题中的比例换算关系，从而推出了具有工程尺度的侵彻计算公式和具有物理基础的贯穿过程。通过与国内外现有的经验公式计算结果对比分析，验证了本公式的可靠性。     

基于能量和控制效果指标的黏滞阻尼器优化设计

提出以能量和控制效果指标为目标函数的黏滞阻尼器优化设计方法。基于黏滞阻尼器参数对其滞回曲线的影响,在分别以加速度控制效果指标和能量为目标函数的情况下,采用遗传算法对黏滞阻尼器进行了布置及参数的同步优化,在综合考虑了位移控制效果指标、加速度控制效果指标及能量的情况下,再次对黏滞阻尼器进行了优化设计,将三种黏滞阻尼器优化设计结果与传统设计结果进行了比较,并分析了四种阻尼器设计结果对地震的敏感性。研究表明:考虑能量的黏滞阻尼器优化设计是有效的,在目标函数中引入能量可以减小设计结果对地震波的敏感性。     

梁柱的形状优化

本文将梁柱稳定的平衡方程转化为差分方程,将梁柱的设计问题转化为非线性优化问题,利用SUMT法对梁柱的形状进行了优化。通过几个具有工程意义的算例分析,得出了合理可靠的结果,经济效益非常显著,为梁柱的设计提供了一种有效的方法。     

牙齿刮切实验破碎坑的几何建模

牙齿刮切实验是“牙轮钻头与岩石互作用仿真”课题的基础实验研究工作，西南石油学院钻头研究室针对不同岩石，不同齿形的硬质合金牙齿，进行了大量的牙齿刮切破岩实验，以楔形齿和锥形齿为例提出了牙齿刮牙破碎坑几何模型的建模过程，并简要介绍了获取破碎坑几何模型特征参数的方法。     

钻地弹侵彻岩石深度计算新原理与方法

 根据短波与岩体的内摩擦模型,利用波阵面上的动量守恒关系和弹体表面的连续运动规律,得到岩体对弹体的侵彻阻抗;通过破碎区与径向裂缝区的能量传输关系,揭示侵彻与贯穿问题的比例尺度关系的规律,最后,推得弹体侵彻过程中的参数及侵彻深度计算新公式。通过现有的经验公式计算结果对比验证本公式的可靠性。