冲击频率与回转速度耦合作用下钻头破碎能耗研究

作     者：索江伟 

作者单位：辽宁工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何凡

授予年度：2017年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：ABAQUS 冲击频率 回转速度 破岩能耗 参数匹配 钻孔间距 

摘      要：以国家自然科学基金项目“高地应力硬岩钻孔诱导致裂与多截齿协同破岩机理为依托,对于目前我国矿山巷道、隧道工程常用施工方法采掘效率低等问题进行研究。主要针对岩石钻孔破岩效率低及机械掘进法对设备损耗过大的问题,研究了不同围压条件时冲击频率与回转速度度耦合作用下钻头对硬岩钻孔情况。研究结果为提高钻机钻孔效率、改进钻孔方法提供了参考依据。同时,为实现钻孔与截齿协同破岩或者利用冲击钻头直接破岩的方法奠定研究基础。本文以冲击-回转钻头为研究对象,应用有限元分析软件ABAQUS中显示非线性动态分析模块对钻头连续破岩过程进行数值仿真。针对不同冲击频率、回转速度及不同岩石围压条件下钻头破岩结果,从能量消耗角度分析,并得出不同性能参数下的单位深度能耗值。结合破岩速度情况对冲击频率和回转速度匹配关系进行优化,为提高破岩效率提供重要参考。在此基础上又对10MPa围压时花岗岩多孔破岩情况进行数值仿真,主要集中于双钻头同步、异步钻进方式下,不同钻孔间距情况进行研究,从能量消耗角度分析了不同钻孔间距和钻孔方式对钻头破岩的影响。研究表明:针对花岗岩材料,无围压时,冲击频率在70Hz、回转速度在310r/min左右;10MPa围压时,性能参数在65Hz、280r/min左右;25MPa围压时,在55Hz、320r/min左右,40MPa围压下在54Hz、370r/min左右时,钻头具有低能耗、高破岩速度的特点,破岩效率最优。针对10MPa围压时花岗岩双孔破岩情况研究可得,回转速度为300r/min,钻头同步钻进时,一至四倍钻头直径间距下单位深度能耗值分别为194.95J/mm、199.44J/mm、195.98J/mm、196.34J/mm。在二倍间距时单位深度能耗明显最大,破岩效果较差;钻头异步钻进时,先钻头、后钻头在一倍间距间破岩能耗值分别为192.87J/mm、195.35J/mm,二倍间距时分别为 200.88J/mm、195.86J/mm,三倍、四倍间距时,能耗值很接近,改变回转速度时,得到结果相似;后钻头与先钻头相比,在一倍间距间具有低能耗和高速度特点,破岩效果较好,在二倍间距时能耗大,速度低;对比两种钻孔方式,在一倍、二倍间距时,异步比同步破岩能耗低,效果好;当间距值达到三倍、四倍后,钻孔间距对破岩情况基本无影响。本文研究结果为提高钻孔破岩效率和研究岩石钻孔破岩机理具有重要的参考价值,为机械式掘进硬岩方法的研究提供新的思路和研究基础;同时在岩巷、隧道工程中节约经济成本、提高采掘效率和保障施工安全性等方面都有重要的实际意义。