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基于HJC模型的旋冲钻井PDC钻头破岩机理研究
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作者 王鸿远 纪照生 苏前荣 《石油钻探技术》 北大核心 2025年第5期86-95,共10页
旋冲钻井技术是一种针对深层硬岩的高效破岩方法,但现场应用过程中存在提速效果不稳定、冲击参数与地层匹配性差等问题。针对该问题,利用四川盆地须二段、栖霞组、茅口组和龙马溪组的岩样进行了抗拉试验、单轴及三轴压缩试验、Hopkinso... 旋冲钻井技术是一种针对深层硬岩的高效破岩方法,但现场应用过程中存在提速效果不稳定、冲击参数与地层匹配性差等问题。针对该问题,利用四川盆地须二段、栖霞组、茅口组和龙马溪组的岩样进行了抗拉试验、单轴及三轴压缩试验、Hopkinson压杆冲击试验,确定了HJC(Holmquist−Johnson−Cook)本构模型参数,通过PDC单齿落锤冲击试验验证了模型参数的正确性。基于四川盆地地层的本构模型参数,建立了全尺寸钻头旋冲钻进数值模拟模型,分析了旋冲钻井破岩过程中轴向冲击参数和岩石力学参数对旋冲钻进效果的影响规律。研究结果表明:建立的模型能够模拟旋冲钻井过程,当其他参数均相同时,轴向冲击波为矩形波时的钻进速度和效率最高,为锯齿波和正弦波时的破岩效果次之;旋冲钻进的速度和效率受轴向冲击频率和冲击幅度的影响较大,冲击频率存在最优值,在一定程度上提高冲击幅度有利于提高钻进速度和效率;四川盆地须二段等4个关键层位岩石的最优冲击频率为10~18 Hz,其与岩石的脆性指数呈线性负相关。四川盆地关键层位HJC模型参数确定方法及结果可为后续研究提供参考,模型数值分析结果可为四川盆地旋冲钻井工具参数的选取提供理论依据。 展开更多
关键词 旋冲钻井 HJC模型 全尺寸钻头破岩模型 最优冲击参数 四川盆地
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考虑破岩模式的TBM滚刀破岩力计算模型 被引量:10
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作者 曹久磊 俞缙 +3 位作者 张竹清 冯学卫 常方强 蔡燕燕 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第8期3300-3311,共12页
滚刀破岩力是研究TBM开挖硬岩隧道效率和安全性的核心参数,提高破岩力计算模型精度的重点在于如何使计算模型与破岩模式相匹配。通过对滚刀破岩过程中不同破岩模式下的裂纹交汇情况及岩片产生的主导因素进行分析,认为协同破岩时岩石主... 滚刀破岩力是研究TBM开挖硬岩隧道效率和安全性的核心参数,提高破岩力计算模型精度的重点在于如何使计算模型与破岩模式相匹配。通过对滚刀破岩过程中不同破岩模式下的裂纹交汇情况及岩片产生的主导因素进行分析,认为协同破岩时岩石主要发生压拉破坏,非协同破岩时主要发生压剪破坏,基于此提出了一种新的刀具荷载计算方法;建立单滚刀及双滚刀线性破岩三维离散元模型,统计不同贯入度下的侧向裂纹扩展长度,以此为基础计算各刀间距和贯入度组合下的理论破岩模式,并通过分析各工况下岩石内部裂纹交汇及其水平应力分布情况,验证了破岩模式划分理论的正确性;以岩石内部裂纹分布特征为基础,提出了协同和非协同破岩模式下破碎岩片体积的计算方法,利用指数函数对岩渣破碎厚度比和刀间距之间的关系进行拟合,定义了协同系数β,并结合新破岩力公式推导出了比能耗表达式。研究发现:由新破岩力模型计算得到的垂直力和滚动力相较于实测值的误差分别为7.3%和11.0%,其相比于CSM和线性计算模型的误差较小;岩石破碎区域取决于破岩模式,协同模式下的破碎区域主要为滚刀之间,非协同模式下为刀刃下方及其两侧;随刀间距增大,岩石内高应力区逐渐分离并出现上移现象且面积下降,最优贯入度增大而最小比能耗值减小,当贯入度增大时,比能耗值先减小后增大,同时比能耗曲线变化趋势和相关破岩试验结果具有一致性。 展开更多
关键词 力计算模型 模式 比能耗 颗粒离散元 盘形滚刀
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高频谐波振动冲击破岩机制及试验分析 被引量:13
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作者 李思琪 闫铁 +2 位作者 李玮 卢亚涛 李显义 《中国石油大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第4期85-91,共7页
基于振动学理论,建立高频谐波振动冲击破岩的物理模型和数学模型,应用MATLAB软件对数学模型求解,分析各参数对简谐振动激励下岩石振动的影响,并通过室内试验进一步验证高频谐波振动冲击钻井技术的破岩效果。结果表明:在简谐振动激励下,... 基于振动学理论,建立高频谐波振动冲击破岩的物理模型和数学模型,应用MATLAB软件对数学模型求解,分析各参数对简谐振动激励下岩石振动的影响,并通过室内试验进一步验证高频谐波振动冲击钻井技术的破岩效果。结果表明:在简谐振动激励下,机械钻速比常规钻井提高了13.2%;岩石刚度、阻尼、临界力与机械钻速呈反比,动态激振力与机械钻速呈正比,激励频率与岩石固有频率越接近,机械钻速越大;机械钻速随着钻压、转速的增加而增加。 展开更多
关键词 高频谐波振动冲击 破岩模型 因素分析 室内试验
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PDC钻头在砾岩地层中的破岩机理与适应性分析 被引量:7
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作者 刘丁源 李军 +4 位作者 高德伟 郭鹤 连威 杨宏伟 高热雨 《石油机械》 北大核心 2023年第7期51-58,67,共9页
PDC钻头在非均质砾岩地层钻进时,不能仅通过磨损来进行优选,应当明确其破岩机理,从而对其应用效果欠佳的情况给予指导。为此,通过有限元软件建立非均质砾岩模型,对PDC单齿破碎砾石地层进行模拟,明确破岩机理,并提出优选建议。分析结果表... PDC钻头在非均质砾岩地层钻进时,不能仅通过磨损来进行优选,应当明确其破岩机理,从而对其应用效果欠佳的情况给予指导。为此,通过有限元软件建立非均质砾岩模型,对PDC单齿破碎砾石地层进行模拟,明确破岩机理,并提出优选建议。分析结果表明:切削齿在砾岩地层切削时,对小粒径砾岩影响切削力的主控因素为胶结物和基质强度,对大粒径砾岩影响切削力主控因素为砾石本身的固有剪切强度;在砾岩地层中,切削齿齿形推荐选用斧形齿,其半径尽量与砾石尺寸相匹配,且优先选择大厚度齿,选择二级、螺旋布齿可减轻单齿的损伤;可以通过优选新型异质材料来改善切削齿力学性能。研究结论可为提高PDC钻头在砾岩地层中的适应性提供理论支撑。 展开更多
关键词 PDC钻头 地层 机理 破岩模型 切削齿 优化分析
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考虑累积效应的盾构刀具磨损动态预测模型 被引量:1
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作者 段怿欣 袁大军 +2 位作者 吴俊 刘浩 许亚楼 《土木工程学报》 CSCD 北大核心 2024年第S2期1-6,共6页
为预测盾构刀具使用寿命,对盾构施工过程中的开仓换刀时机提供指导,保证盾构施工安全顺利的进行,研究采用理论分析、室内试验和工程实测的方法,对盾构刀具切削力学模型、磨损机理和磨损预测模型进行了分析和推导。以现有切刀切削软岩力... 为预测盾构刀具使用寿命,对盾构施工过程中的开仓换刀时机提供指导,保证盾构施工安全顺利的进行,研究采用理论分析、室内试验和工程实测的方法,对盾构刀具切削力学模型、磨损机理和磨损预测模型进行了分析和推导。以现有切刀切削软岩力学模型和滚刀CSM模型为基础,建立了考虑磨损累积效应的刀具切削力学模型;基于金属摩擦学原理,结合电镜扫描结果,分析得出磨粒磨损和粘着磨损是刀具磨损主要形式;基于刀具的主要磨损形式和考虑累积磨损量的刀具切削力学模型,建立了考虑磨损累积效应的刀具磨损动态预测模型,并结合武汉地铁8号线越江盾构隧道工程的刀具磨损实测数据对预测模型进行了分析验证。研究表明该预测模型能够对长距离连续掘进中的盾构刀具磨损进行较为精准的预测,能够对实际工程中开仓换刀时机的选择提供一定的指导。 展开更多
关键词 盾构隧道 盾构刀具 力学模型 刀具磨损 磨损机理 动态预测模型
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切削角度对切削齿温度分布的影响分析 被引量:4
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作者 张在兴 周琴 +2 位作者 张凯 李龙 李耀 《石油机械》 北大核心 2021年第12期17-26,共10页
切削齿失效与切削温度有密切联系,岩屑的形成对切削齿的性能和寿命都存在影响。为此,建立了岩石破碎力学模型,对切削齿进行了破岩模型数值模拟分析,通过岩石切削仿真研究了不同切削深度下,切削角度对岩石破碎模式和温度波动程度的影响... 切削齿失效与切削温度有密切联系,岩屑的形成对切削齿的性能和寿命都存在影响。为此,建立了岩石破碎力学模型,对切削齿进行了破岩模型数值模拟分析,通过岩石切削仿真研究了不同切削深度下,切削角度对岩石破碎模式和温度波动程度的影响规律。研究结果表明:岩屑粒度随切削角度的增大而减小,切削角度的增加会加剧岩屑在前刀面的累积;当切削角大于临界值,温度以及温升速率随切削角的继续增大而减小,后刀面与岩石的摩擦作用随切削角度的增大而减弱,切削齿后刀面温度降低;当切削深度小于临界值时,切削角度宜为5°~10°,既能使切削齿温度较低,又能提高切削齿破岩效率;当切削深度大于临界值时,切削角度宜为20°~25°,既能增强切削齿的强度,又能延长切削齿的使用寿命。研究结论可为破碎岩石施工降本增效提供理论依据。 展开更多
关键词 切削角度 切削齿 破岩模型 切削深度 温度场 屑粒度
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TBM主驱动轴承受力分析及应用研究 被引量:2
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作者 周建军 李帅远 +2 位作者 江益辉 杨延栋 程永龙 《隧道建设(中英文)》 CSCD 北大核心 2023年第S01期522-529,共8页
为解决全断面硬岩隧道掘进机(TBM)作业过程中,因主轴承载荷谱预测困难而无法计算主轴承服役寿命的问题,开展基于滚刀-主轴承力流模型预测TBM主轴承载荷谱方法的研究,基于CSM模型与秋三藤三郎模型,建立滚刀破岩载荷预测模型。结合TBM作... 为解决全断面硬岩隧道掘进机(TBM)作业过程中,因主轴承载荷谱预测困难而无法计算主轴承服役寿命的问题,开展基于滚刀-主轴承力流模型预测TBM主轴承载荷谱方法的研究,基于CSM模型与秋三藤三郎模型,建立滚刀破岩载荷预测模型。结合TBM作业工况与刀盘滚刀分布情况,根据理论计算模型与有限元分析模型,建立多工况的刀盘-主轴承力流模型得到原始载荷。考虑TBM强冲击工作环境对载荷谱的影响,对比现场监测振动数据,引入冲击载荷系数,建立计算模型,得到主轴承载荷谱。研究结果表明:1)TBM在全推力工况下的工作时间占比达65%;2)4种工况中轴向力与倾覆力矩变化较大,径向力较为稳定;3)在全推力工况下主轴承主要承受轴向力,最高达到14 374 kN,与有限元分析结果相差5%。最后将计算结果与TBM实际施工数据对比,验证了模型的准确性。 展开更多
关键词 TBM 主轴承 冲击载荷系数 力流模型 滚刀破岩模型
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Numerical investigation of effect of eccentric decoupled charge structure on blasting-induced rock damage 被引量:20
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作者 PAN Cheng XIE Li-xiang +3 位作者 LI Xing LIU Kai GAO Peng-fei TIAN Long-gang 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第2期663-679,共17页
Eccentric decoupling blasting is commonly used in underground excavation.Determination of perimeter hole parameters(such as the blasthole diameter,spacing,and burden)based on an eccentric charge structure is vital for... Eccentric decoupling blasting is commonly used in underground excavation.Determination of perimeter hole parameters(such as the blasthole diameter,spacing,and burden)based on an eccentric charge structure is vital for achieving an excellent smooth blasting effect.In this paper,the Riedel-Hiermaier-Thoma(RHT)model was employed to study rock mass damage under smooth blasting.Firstly,the parameters of the RHT model were calibrated by using the existing SHPB experiment,which were then verified by the existing blasting experiment results.Secondly,the influence of different charge structures on the blasting effect was investigated using the RHT model.The simulation results indicated that eccentric charge blasting has an obvious pressure eccentricity effect.Finally,to improve the blasting effect,the smooth blasting parameters were optimized based on an eccentric charge structure.The overbreak and underbreak phenomena were effectively controlled,and a good blasting effect was achieved with the optimized blasting parameters. 展开更多
关键词 eccentric charge structure smooth blasting rock mass damage RHT model parameter optimization
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Model test to investigate failure mechanism and loading characteristics of shallow-bias tunnels with small clear distance 被引量:11
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作者 雷明锋 林大涌 +3 位作者 杨伟超 施成华 彭立敏 黄娟 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2016年第12期3312-3321,共10页
Based on the similarity theory,a tunnel excavation simulation testing system under typical unsymmetrical loading conditions was established.Using this system,the failure mechanism of surrounding rock of shallow-bias t... Based on the similarity theory,a tunnel excavation simulation testing system under typical unsymmetrical loading conditions was established.Using this system,the failure mechanism of surrounding rock of shallow-bias tunnels with small clear distance was analyzed along with the load characteristics.The results show that:1) The failure process of surrounding rock of shallow-bias tunnels with small clear distance consists of structural and stratum deformation induced by tunnel excavation; Microfracture surfaces are formed in the tunnel surrounding rock and extend deep into the rock mass in a larger density; Tensile cracking occurs in shallow position on the deep-buried side,with shear slip in deep rock mass.In the meantime,rapid deformation and slip take place on the shallow-buried side until the surrounding rocks totally collapse.The production and development of micro-fracture surfaces in the tunnel surrounding rock and tensile cracking in the shallow position on the deep-buried side represent the key stages of failure.2) The final failure mode is featured by an inverted conical fracture with tunnel arch as its top and the slope at tunnel entrance slope as its bottom.The range of failure on the deep-buried side is significantly larger than that on the shallow-buried side.Such difference becomes more prominent with the increasing bias angle.What distinguishes it from the "linear fracture surface" model is that the model proposed has a larger fracture angle on the two sides.Moreover,the bottom of the fracture is located at the springing line of tunnel arch.3) The total vertical load increases with bias angle.Compared with the existing methods,the unsymmetrical loading effect in measurement is more prominent.At last,countermeasures are proposed according to the analysis results: during engineering process,1) The surrounding rock mass on the deep-buried side should be reinforced apart from the tunnel surrounding rock for shallow-buried tunnels with small clear distance; moreover,the scope of consolidation should go beyond the midline of tunnel(along the direction of the top of slope) by 4 excavation spans of single tunnel.2) It is necessary to modify the load value of shallow-bias tunnels with small clear distance. 展开更多
关键词 shallow-bias tunnels with small spacing failure mechanism loading characteristics model test
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