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非爆破岩理论和技术发展与展望

中国有色金属学报 2022年第12期32卷 3883-3912页

作者：王少锋孙立成周子龙吴毓萌石鑫垒中南大学资源与安全工程学院长沙410083

地下资源开采及地下空间开发利用规模不断加大,促使非爆破岩技术得到了长足发展,并衍生出机械刀具破岩、水力破岩、微波破岩、热冲击破岩、膨胀破岩、联合破岩等技术。本文阐述了各类非爆破岩理论,并综述了各类非爆破岩技术的发展与应... 详细信息

地下资源开采及地下空间开发利用规模不断加大,促使非爆破岩技术得到了长足发展,并衍生出机械刀具破岩、水力破岩、微波破岩、热冲击破岩、膨胀破岩、联合破岩等技术。本文阐述了各类非爆破岩理论,并综述了各类非爆破岩技术的发展与应用进程。针对目前非爆破岩技术的发展瓶颈和面临的挑战,展望了非爆破岩理论与技术的发展方向。为满足深地战略重大需求,非爆破岩亟需完成理论突破、技术变革、设备升级,以实现复杂地质环境下坚硬岩石的安全、高效、经济、智能及绿色破碎。

关键词：非爆破岩深部硬岩机械刀具破岩水力破岩微波破岩热冲击破岩联合破岩

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激光-PDC钻头联合破岩机理及特性研究

工程设计学报 2023年第3期30卷 315-324页

作者：黄志强梁耀文陈科翟预立雷雨薇西南石油大学机电工程学院四川成都610500

随着我国油气勘探逐步向深层、超深层和复杂难钻岩层转移,现有的机械钻头存在着破岩效率低及作业成本高等问题。因此,提出了一种新型激光-PDC钻头,以实现高效破岩和节能降耗。采用有限元方法,基于岩石HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模... 详细信息

随着我国油气勘探逐步向深层、超深层和复杂难钻岩层转移,现有的机械钻头存在着破岩效率低及作业成本高等问题。因此,提出了一种新型激光-PDC钻头,以实现高效破岩和节能降耗。采用有限元方法,基于岩石HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模型,建立了激光-PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头联合破岩非线性动力学模型,开展了激光-PDC钻头联合破岩仿真研究。仿真结果表明:激光的辐射作用使岩石表面受辐射区域产生了较高的温度和较大的预应力,进而在岩石表面形成了相互贯穿的损伤带,降低了岩石强度,更有利于切削齿破碎岩石;与无激光单PDC钻头相比,激光-PDC钻头在破岩过程中受到的反扭矩降低了24.8%,钻头轴向加速度波动幅度降低了10.5%,钻进位移增加了8.67 mm,钻进速度提升了112.79%。搭建了激光-机械联合破岩实验台架,进行了激光-PDC钻头联合破岩实验。实验结果表明,激光-PDC钻头联合破岩有着更好的钻进稳定性和连续性,大大提高了破岩效率。研究结果为激光-机械破岩技术的发展和应用提供了一定的理论支撑和技术支持。

关键词：激光-PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头联合破岩激光辐射破岩特性

预切槽和TBM机械滚刀的新型联合破岩模式研究

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岩土力学 2021年第5期42卷 1363-1372页

作者：徐福通卢景景周辉肖建成张传庆邱浩权中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049 湖北工业大学土木建筑与环境学院湖北武汉430068

传统机械-岩体相互作用的破岩模式已经无法大幅提升隧道掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)的掘进效率,新型破岩技术及其破岩机制逐渐被重视。在不改变现有TBM主体结构的前提下,通过开展3种不同岩性有无预切槽试样在侧向约束条件下... 详细信息

传统机械-岩体相互作用的破岩模式已经无法大幅提升隧道掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)的掘进效率,新型破岩技术及其破岩机制逐渐被重视。在不改变现有TBM主体结构的前提下,通过开展3种不同岩性有无预切槽试样在侧向约束条件下的TBM常截面滚刀压头贯入试验,研究预切槽对TBM机械滚刀破岩效果的影响规律,结果表明:(1)预切槽可降低岩样破碎时压头的法向荷载,与不切槽相比,有预切槽的岩样破碎时法向荷载降低44.13%~53.05%,岩石单轴抗压强度越低,法向荷载降低比例越大;(2)预切槽深度对岩样破碎时法向荷载的影响存在临界值,超过临界值后,预切槽深度对岩样破坏行为影响减弱。基于此,提出了预切槽+TBM机械滚刀破岩的新型联合破岩模式,并探讨了可实现预切槽的新型破岩技术。联合破岩模式能够突破破岩效率瓶颈,对TBM装备升级和重大工程项目建设具有重要意义。

关键词：预切槽 TBM机械滚刀破岩模式破岩技术联合破岩

高温损伤岩石高压CO_(2)射流PDC齿联合破岩研究

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地下空间与工程学报 2023年第6期19卷 1841-1850页

作者：陈浩蒲治成蔡灿张沛谭政博西南石油大学高压射流理论与应用技术实验室成都610599 吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室长春130000 油气藏地质与开发工程国家重点实验室(西南石油大学) 成都610599 西南石油大学石油与天然气工程学院成都610599

欠平衡气体相比传统钻井液钻井技术,可提高机械钻速、减少和避免井漏和压差卡钻事故的发生。欠平衡钻井的井筒多相流及控压钻井工艺研究较为完善,但是围绕油气井欠平衡钻井中的CO_(2)气体射流-PDC齿联合破碎高温岩石问题尚不明确。通过... 详细信息

欠平衡气体相比传统钻井液钻井技术,可提高机械钻速、减少和避免井漏和压差卡钻事故的发生。欠平衡钻井的井筒多相流及控压钻井工艺研究较为完善,但是围绕油气井欠平衡钻井中的CO_(2)气体射流-PDC齿联合破碎高温岩石问题尚不明确。通过单轴压缩与巴西劈裂试验测试高温损伤后岩石力学特性,然后在高压CO_(2)射流-PDC齿切削破岩试验破岩系统上进行联合破碎高温损伤后岩石试验,研究其破岩规律与切削力变化。力学特性测试试验结果表明,随加热温度的增大,砂岩加热后抗拉强度先减小后陡增,抗压强度先减小再增大。切削力与岩石力学参数相关性分析显示,岩石弹性模量与切削力关联度较强。联合破碎岩石的试验结果表明,高压CO_(2)射流能对岩石进行预打击,且射流强化齿前岩屑运移和齿后岩屑的排出,显著降低切削齿阻力,降低破碎岩石所需的切削力。进一步研究岩石加热温度、射流压力和喷嘴直径等工况参数的影响,当流体压力、喷嘴直径、射流温度分别为20 MPa、2 mm、45℃时,射流对砂岩的打击、携岩效果良好,切削力小,有利于破岩。本研究对指导高温井气体钻井技术和配套钻头研发具有重要指导意义。

关键词：欠平衡钻井 CO_(2)射流 PDC齿联合破岩切削力

水射流在新型TBM联合破岩中的破岩能力研究

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土工基础 2022年第4期36卷 576-581页

作者：邱浩权湖北工业大学土木建筑与环境学院武汉430068 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071

隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,简称TBM)发展至今已经有一百多年的历史,随着开挖环境的变化,以传统刀具为主要破岩形式的TBM的掘进效率已经越来越难以满足施工的需求,因此提出了新的联合破岩方法,即机械-水力联合破岩方式。主要以... 详细信息

隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,简称TBM)发展至今已经有一百多年的历史,随着开挖环境的变化,以传统刀具为主要破岩形式的TBM的掘进效率已经越来越难以满足施工的需求,因此提出了新的联合破岩方法,即机械-水力联合破岩方式。主要以试验的形式,首先研究的是在不同的切割参数下,水射流切割不同的岩石所能形成的切槽的深度,然后在此试验规律的基础上,采用重复切割同一条切缝的方法增加切割深度。研究结果表明:(1)射流压力越大,切割速度越慢,切割深度越大;切割较软岩石时,靶距对切割深度有一定的影响,切割较硬岩石时,靶距对切割深度的影响较小;(2)多次重复切割能够有效的增加切割深度,但切割深度的增加程度与切割参数有关系,射流压力越大,切割速度越慢,靶距越小,切割深度增加的程度越大。研究成果对于指导TBM的改进,提高掘进效率具有重要参考价值。

关键词：联合破岩切缝深度高压水射流工艺参数影响规律

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磨料射流联合机械齿提高硬岩钻进效率研究

采矿与安全工程学报 2013年第4期30卷 621-627页

作者：汤积仁卢义玉葛兆龙夏彬伟王景环重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400030

针对煤矿中穿硬质岩层钻孔预抽瓦斯时钻进困难这一问题,在理论分析孔底"凸台"的形成是导致传统旋转钻头钻进困难主要原因基础上,提出了磨料射流联合机械齿钻进硬岩新方法,即利用磨料射流强大的冲蚀能力,预先消除"凸台",形成先导孔,进而... 详细信息

针对煤矿中穿硬质岩层钻孔预抽瓦斯时钻进困难这一问题,在理论分析孔底"凸台"的形成是导致传统旋转钻头钻进困难主要原因基础上,提出了磨料射流联合机械齿钻进硬岩新方法,即利用磨料射流强大的冲蚀能力,预先消除"凸台",形成先导孔,进而改变传统旋转钻头钻岩机理,达到提高硬岩钻进效率目的。利用断裂力学理论与能量守恒原理揭示了磨料射流联合机械齿提高硬岩钻进效率机理。设计发明了一种破碎硬岩钻头,总成了一套联合钻进硬岩实验系统,并完成了一系列新技术与现有技术的对比实验研究。结果表明,相同条件下,钻头钻进效率较现有技术条件提高63%,承受轴向力与扭矩分别下降约15%和20%,钻头磨损明显减轻。

关键词：硬岩钻孔磨料射流机械齿联合破岩钻进效率

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钻孔诱导卸荷与截齿联合破岩特性研究

钻孔诱导卸荷与截齿联合破岩特性研究

作者：孙国庆辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

随着煤岩资源开采量的不断增长,矿山深部开采问题日益凸显,高地应力是制约深部巷道高效掘进、导致截割高能耗的主要因素,而钻孔诱导卸荷是降低深部开采高地应力、减小截割能耗、延长截齿使用寿命的有效手段。本文通过对深部硬岩卸荷特... 详细信息

随着煤岩资源开采量的不断增长,矿山深部开采问题日益凸显,高地应力是制约深部巷道高效掘进、导致截割高能耗的主要因素,而钻孔诱导卸荷是降低深部开采高地应力、减小截割能耗、延长截齿使用寿命的有效手段。本文通过对深部硬岩卸荷特性进行分析,确定高地应力对岩体的影响;在钻孔诱导卸荷基础下,研究单齿和多齿截割卸荷后深部硬岩的破碎特性,对深部硬岩掘进理论具有重要推动作用。本文以花岗岩为研究对象,采用Drucker-Prager岩体本构模型,利用ABAQUS中Explicit模块建立不同地应力(40MPa、45MPa、50MPa、55MPa、60MPa)的卸荷岩体模型,并分析单孔卸荷时不同钻孔深度(50cm、80cm、120cm、150cm)以及不同钻孔直径(30mm、50mm、80mm、100mm),多孔卸荷时不同钻孔布置方式(正三角形、正四边形、正六边形)以及不同钻孔间距(100mm、150mm、200mm、250mm)卸荷特性。结果表明:地应力为50MPa时,钻孔后形成应力集中区最大,卸荷效果更明显,钻孔直径为80mm,钻孔深度为120cm,钻孔布置方式为正四边形,钻孔间距为100mm岩石卸荷效果最好,且确定不同地应力时的最优钻孔参数。通过分析截齿三向应力曲线和三向应力特征值,研究最优钻孔参数卸荷条件下,50MPa地应力时单齿的最优截割角度、最优截割速度、最优截割深度以及多齿最优截割间距。模拟分析单齿不同截割角度(30°、45°、60°)、不同截割速度(2m/s、2.5m/s、3m/s、3.5m/s),不同截割深度(60mm、65mm、70mm、75mm),以及多齿不同截割间距(70mm、75mm、80mm、85mm)截齿截割规律。结果表明:当单齿最优截割角度为60°,最优截割速度为2m/s,最优截割深度为70mm时,截齿截割阻力特征值最小;当多齿截割间距为75mm时,截齿截割阻力特征值最小;与未卸荷深部硬岩截割应力相比,截齿截割阻力大大降低,深部硬岩经过钻孔诱导卸荷可以有效地降低截齿所受三向应力。基于钻孔诱导卸荷与截齿联合破岩是实现深部硬岩高效掘进的有效方法,该方法的应用对煤岩开采掘进、其他金属矿山开采以及隧道开挖等工程领域均具有较高的参考价值和推广价值。

关键词：高地应力联合破岩钻孔诱导卸荷截齿截割最优参数

基于机械-水力联合TBM的水射流破岩效率研究

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基于机械-水力联合TBM的水射流破岩效率研究

作者：邱浩权湖北工业大学

学位级别：硕士

全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)是目前国际上公认的,在施工进度、施工技术等方面相比于传统方法都有极大优势的新型隧道开挖工法,同时具有对围岩扰动小、成洞质量高等特点。但随着隧道以及地下空间发展时代的到来,TBM也... 详细信息

全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)是目前国际上公认的,在施工进度、施工技术等方面相比于传统方法都有极大优势的新型隧道开挖工法,同时具有对围岩扰动小、成洞质量高等特点。但随着隧道以及地下空间发展时代的到来,TBM也面临着巨大的挑战,岩石强度的增大降低了TBM的施工进度。因此,本文在此基础上,基于机械-水力联合破岩模式,利用国产数控超高压水切割机对不同强度的岩石进行了切割试验,研究如何提高水射流对不同强度岩石的切割能力进而提高TBM的掘进效率。研究内容主要包括以下几个方面:(1)首先通过实验研究不同强度的岩石,在射流压力、切割速度、靶距等不同的水射流参数的影响下,对影响切割岩石深度的规律进行总结分析。规律表明当岩石强度较小时,可以通过增加射流压力,减小切割速度以及减小靶距等方式提高此时水射流切割岩石的能力,但如果当岩石强度达到一定程度时,水射流对岩石的切割能力将会降低,而增加射流压力,减小切割速度,减小靶距这些方法也不能明显的增加水射流切割岩石的最大切割深度,此时需要研究新的提高水射流切割岩石最大深度的方法。同时切割完成后,切缝宽度与岩石的温度也与水射流参数有关,射流压力和靶距越大,切割速度越小,切缝宽度越大;射流压力越大,切割速度和靶距越小,温度也越高。(2)针对上述实验提到当岩石强度达到一定程度时,水射流切割能力不足的情况,同时考虑TBM实际情况,提出利用重复切割同一条切缝的方法来提高水射流的切割能力,并设计了相应的装置。同时对于水射流切割完成后温度较高的问题,利用冰颗粒代替高压水进行破岩的方法,并设计了相应的装置,达到降低工作面的温度,延长工人在工作面滞留时间的目的,从而提高TBM破岩的效率。(3)最后通过实验验证了重复切割同一条切缝的方法,验证的结果表明该方法的确能有效的增加水射流切割岩石的能力,并且重复切割次数越多,射流压力越大;切割速度越慢,靶距越小,重复切割增加的深度越大,最大切割深度也越大,但每次重复切割增加的深度是不一样的,并且随着重复切割次数的增加,每次增加的深度是逐渐减小的。同时还发现,随着切割次数的增加,切割宽度也在增大,并且射流压力和靶距与宽度呈正比,切割速度与宽度呈反比。这一结论将有利于对TBM设备进行改进,对于今后TBM设备的发展也具有重要的参考价值。

关键词： TBM工法联合破岩工艺参数切割深度高压水射流

水射流—机械刀具联合破岩的影响因素试验研究

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中国机械工程 2013年第8期24卷 1013-1017页

作者：江红祥杜长龙刘送永许瑞中国矿业大学徐州221116

为提高机械刀具破岩效率,在水射流—机械刀具联合破岩试验台上研究了水射流参数(射流入射角、喷嘴位置、靶距等)对联合破岩效果的影响。试验结果表明:喷嘴位置在刀具前方时,形成的煤岩碎片块度大,刀具的切削比能耗小,联合破岩效果优于... 详细信息

为提高机械刀具破岩效率,在水射流—机械刀具联合破岩试验台上研究了水射流参数(射流入射角、喷嘴位置、靶距等)对联合破岩效果的影响。试验结果表明:喷嘴位置在刀具前方时,形成的煤岩碎片块度大,刀具的切削比能耗小,联合破岩效果优于喷嘴布置在刀具的两侧的破岩效果;刀具的切削比能耗与水射流入射角、靶距以及喷嘴和刀具距离的关系均呈抛物线变化,水射流入射角为120。、靶距为喷嘴直径5.5倍左右、喷嘴和刀具距离为切削深度的1.6倍左右时切削比能耗最低。

关键词：水射流机械刀具联合破岩试验