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机械式静态双层推靠自动垂直钻具设计

中国石油大学学报（自然科学版） 2017年第4期41卷 91-98页

作者：李立鑫薛启龙刘宝林赵柳东李昕愉中国地质大学(北京)国土资源部深部地质钻探技术重点实验室北京100083

为满足小尺寸垂直钻探的作业要求,设计一种外径127 mm、具有双层推靠活塞的机械式静态自动垂直钻井工具。该垂直钻具不含独立的电子和液压系统,仅依靠偏重块在重力作用下自动偏向井眼低边的物理特性,带动环阀转动进而改变钻井液流道的开... 详细信息

为满足小尺寸垂直钻探的作业要求,设计一种外径127 mm、具有双层推靠活塞的机械式静态自动垂直钻井工具。该垂直钻具不含独立的电子和液压系统,仅依靠偏重块在重力作用下自动偏向井眼低边的物理特性,带动环阀转动进而改变钻井液流道的开闭,使钻井液在钻具内部和环空中形成压差,驱动双层分布的8个活塞以相应的组合方式推向井眼高边,实现自动纠斜,维持井眼垂直。该钻具采用全新的环阀设计,避免常规盘阀较大的摩擦阻力,提高纠偏的灵敏度和精度,其推靠活塞为独特的双层分布,纠斜时有3个不同层的推靠活塞同时推出,可在较小的钻头压降下获得较大的推靠力和纠斜力矩,纠斜能力显著提升,而且不同层推出的3个推靠活塞形成稳定的三角结构,有效提升钻具的稳定性和可靠性。在钻具结构设计的基础上,对钻具偏心机构、推出机构的力学性能进行分析,并研究角接触球轴承的摩擦阻力对钻具纠斜行为的影响。结果表明:该自动垂直钻具的推靠合力是单个推靠活塞的1+2^(1/2)倍,理论上其纠斜精度仅在井斜角降至0.154°后才会受到影响,纠斜极限井斜角可达0.059°,具有很好的纠斜能力、纠斜精度和灵敏度,而且该钻具结构设计简单,造价及维护成本较低,其机械式的控制方式不受井下温度影响,具有很好的现场应用前景。

关键词：垂直钻井机械式垂直钻具偏重块推靠力纠斜行为

地下实验室·深地观测·科学问题——来自深地多物理场观测的启示

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中国科学:地球科学 2025年

作者：任辉启王赟陈畅付广裕邱隆清郭良辉谢成良贺永胜孙和平滕吉文军事科学院国防工程研究院中国地质大学(北京)陆内火山与地震教育部重点实验室地质过程与矿产资源国家重点实验室中国科学院上海微系统与信息技术研究所中国科学院精密测量科学与技术创新研究院中国科学院地质与地球物理研究所

通过国内外地下实验室实施的科学观测和研究调研分析,首先从宇宙射线本底、重力与地震观测的背景振动噪声、地磁和电磁观测的电磁环境噪声的角度,通过地面、山体隧道空腔、煤矿地下巷道的观测对比介绍了三种环境的差异,说明不同物理场... 详细信息

通过国内外地下实验室实施的科学观测和研究调研分析,首先从宇宙射线本底、重力与地震观测的背景振动噪声、地磁和电磁观测的电磁环境噪声的角度,通过地面、山体隧道空腔、煤矿地下巷道的观测对比介绍了三种环境的差异,说明不同物理场的观测研究应慎重使用地下实验室和深地实验室这一术语;并进一步介绍了我国煤矿井下巷道所具有的大空间、超静与超净特点,以及与山体隧道空腔和钻孔观测相比,煤矿巷道观测所表现出的超高精度长期稳定观测优势.围绕深地科学观测所针对的基础科学问题,文章展示了深地实现的高信噪比微弱震感知能力十分有利于地球介质结构反演精度的提高,深地超导重力观测使得慢地震的捕获和研究成为可能,深地实现的fT级超导磁测则使得Schumann谐振的固体地球衰减特征探索,以及与脑磁、心磁的交叉学科研究成为可能;同时揭示了高精度量子仪器研发需要考虑弱磁扰动可能产生的影响.最后,从深地超高精度多物理场联测及其相互关系研究的角度,讨论了深地实验室对“深空”和“深海”专项的可能支撑作用,强调深地观测平台及其装备技术是系列科学问题解决的基础,以期引起地球科学、物理等学科领域对深地实验室与高精度科学观测的重视.

关键词：深部地下多物理场超高精度测震 Schumann共振***

钻头切削齿破碎岩石的温度变化试验及机理分析

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天然气工业 2020年第10期40卷 102-110页

作者：周琴张在兴张凯郑国敬何录忠中国地质大学(北京)工程技术学院国土资源部深部地质钻探技术重点实验室

钻头切削齿是破碎岩石的核心部分,在破岩过程中做的绝大部分功会转换成切削热,导致切削齿温度升高,目前对切削齿温度的影响研究成果主要集中在切削深度、切削速度及切削齿结构方面,但对于岩石特性对切削温度影响程度和机理的认识尚不明... 详细信息

钻头切削齿是破碎岩石的核心部分,在破岩过程中做的绝大部分功会转换成切削热,导致切削齿温度升高,目前对切削齿温度的影响研究成果主要集中在切削深度、切削速度及切削齿结构方面,但对于岩石特性对切削温度影响程度和机理的认识尚不明晰。为此,在自制的MDES 2000微钻平台上,开展了砂岩、大理岩、花岗岩以及玄武岩等4种典型岩石的钻进试验,基于岩石破碎力学模型和数值分析结果,探讨了岩石特性对切削温度的影响程度并进行机理分析。研究结果表明:①在相同的钻进参数下,岩石强度直接影响不同岩石钻进深度,导致岩石破碎模式(塑性、脆性)的转变,从而造成不同岩石切削温度的波动差异,砂岩、大理岩发生塑性破碎,温度波动范围约为±0.5℃,而花岗岩、玄武岩则发生脆性破碎,切削齿温度波动范围约为±1.5℃;②岩石强度是影响切削温度温升速率变化的重要因素,强度越大所需切削力越大,产生切削热增加,导致4种不同岩石钻进时温升速率随岩石强度的增加而逐次递增;③岩石破碎力学模型和前、后刀面温度分析结果表明,切削齿前刀面起主要的切削作用,是造成不同岩石的切削温度波动程度的主要因素。结论认为,钻进试验与数值模拟所得到的温度变化趋势基本吻合,该成果可以为钻头切削齿工作寿命研究提供借鉴和参考。

关键词：岩石特性钻进试验破岩机理温升速率温度波动力学模型破碎模式数值分析

电弧离子渗钛对316L不锈钢摩擦学性能的影响

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稀有金属材料与工程 2016年第7期45卷 1821-1825页

作者：石佳佳付志强岳文王成彪彭志坚于翔康嘉杰中国地质大学(北京)工程技术学院北京100083 中国地质大学(北京)国土资源部深部地质钻探技术重点实验室北京100083

研究了阴极电弧离子渗钛对316L不锈钢摩擦学性能的影响。结果表明:利用阴极电弧离子渗金属技术在316L不锈钢表面制备的渗钛层峰值钛含量为66%(质量分数),渗钛层主要由Fe_2Ti和Ni Ti相组成,渗层与基体结合牢固;表面硬度由基体的2000 MPa... 详细信息

研究了阴极电弧离子渗钛对316L不锈钢摩擦学性能的影响。结果表明:利用阴极电弧离子渗金属技术在316L不锈钢表面制备的渗钛层峰值钛含量为66%(质量分数),渗钛层主要由Fe_2Ti和Ni Ti相组成,渗层与基体结合牢固;表面硬度由基体的2000 MPa提高到了4000 MPa,硬化层深度约为150μm;在干摩擦条件下,渗钛的不锈钢样品摩擦系数明显低于未渗钛样品,磨损率降低到未渗钛样品的1/7。未渗钛样品的磨损机制为磨料磨损、氧化磨损和粘着磨损,渗钛样品的磨损主要是渗层局部剥落引起的。

关键词：阴极电弧离子渗钛 316L不锈钢摩擦磨损性能

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煤矿软岩泥化巷道梯级强化控制原理与技术

煤炭学报 2025年

作者：李桂臣郝浩然孙元田李菁华杨森邵泽宇沃小芳中国矿业大学矿业工程学院中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室

煤系沉积岩层普遍泥性显著、富水性强、岩性软弱，软岩泥化巷道围岩稳定控制难题日益突显。以淮北矿区典型软岩泥化巷道为工程背景，根据工程地质条件调研与实测，分析了黏土矿物成分与宏细观破坏特征，明确了富水环境和应力环境是诱发... 详细信息

煤系沉积岩层普遍泥性显著、富水性强、岩性软弱，软岩泥化巷道围岩稳定控制难题日益突显。以淮北矿区典型软岩泥化巷道为工程背景，根据工程地质条件调研与实测，分析了黏土矿物成分与宏细观破坏特征，明确了富水环境和应力环境是诱发泥质巷道变形破坏的重要因素，围岩泥化失稳体现为泥质岩体水化作用、锚固结构承载失效、围岩泥态垮冒渐进破坏模式，实现应力-渗水耦合作用下巷道围岩承载结构稳定控制起到决定性作用；在此基础上提出了软岩泥化巷道梯级强化控制原理，即在保障“支护-围岩”相互作用关系中高预紧力、高刚度、高强度锚杆（索）支护承载闭环结构的前提下，根据泥岩水化程度判断工程失稳控制方法，形成了锚注一体泥质围岩性质改良、旋喷注浆浅表桩群结构强化、逐层锚喷泥化岩体强力置换三项重要技术路径；于芦岭煤矿西轨大巷应用了自主研发的矿用新型多钢绞线组合中空注浆锚索束进行底鼓治理，首次在涡北煤矿8204机巷开展了井下高压旋喷注浆工程实践，采用了人工构筑岩体强力置换泥态围岩的方式解决了朱仙庄矿Ⅱ水平第二皮带大巷泥化围岩失稳难题，巷道围岩变形量、支护围岩成型情况与钻孔窥视结果表明，研究成果较好地解决了软岩泥化巷道控制问题，多层次强化了泥质巷道围岩承载能力，保障了围岩长期安全稳定，为软岩泥化巷道围岩控制提供了有效的科学控制理念与技术支撑。

关键词：软岩泥化梯级强化围岩控制煤矿巷道

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岩石切削深度对切削齿温度分布的影响分析

煤炭学报 2019年第S2期44卷 492-501页

作者：张在兴周琴张凯郑国敬张涛中国地质大学(北京)工程技术学院北京100083 国土资源部深部地质钻探技术重点实验室北京100083

切削温度是影响切削齿寿命、磨损及切削效率的重要因素;切削温度过高会加快切削齿热磨损,降低钻头寿命以及切削效率。切削深度是重要的岩石切削参数,直接影响岩石的破坏形式,切削深度通过改变岩石的破坏形式改变切削齿的受力状态,而切... 详细信息

切削温度是影响切削齿寿命、磨损及切削效率的重要因素;切削温度过高会加快切削齿热磨损,降低钻头寿命以及切削效率。切削深度是重要的岩石切削参数,直接影响岩石的破坏形式,切削深度通过改变岩石的破坏形式改变切削齿的受力状态,而切削力是切削热、切削温度升高的直接原因,因此切削深度会对切削过程中切削齿温度场的变化产生影响。为了进一步研究切削深度对切削齿温度变化的影响规律,基于岩石切削热模型,以Drucker-Prager为岩石强度准则,建立切削齿动态破岩模型,研究不同切削深度下切削齿的受力状态、前后刀面温度分布以及温升变化规律。研究结果表明:①存在一个临界深度d*,使岩石破坏模式从塑性切削转变为脆性切削,岩石塑性切削时切削力与切削深度成正比,脆性切削时切削力与切削深度成非线性关系;②切削深度的改变会影响切削齿前、后刀面温度变化:后刀面温度随切削深度的增加而线性升高,前刀面温度随切削深度增加呈现先升高后下降的趋势;③切削深度的增加使切削力波动增大,因此导致前、后刀面温度波动随切削深度的增加而加剧。通过对岩石破碎过程中不同切削深度下的切削齿受力状态以及温度变化模拟分析,发现切削深度对切削齿温度变化具有明显的影响,理论分析和仿真结果变化趋势基本吻合,研究结果可为优化切削参数和延长切削齿使用寿命提供依据和参考。

关键词：切削深度破坏模式温度场数值模拟

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基于聚类的重复地震识别方法及应用

地球与行星物理论评（中英文） 2025年第1期56卷 94-101页

作者：黄雅芬李红谊李炎臻葛慧颖张盛中陆内火山与地震教育部重点实验室(中国地质大学(北京)) 北京100083 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院北京100083 中国地质大学(北京)信息网络与数据中心北京100083

重复地震是指不同时期发生在断层同一位置的一组地震,表现为波形和震源机制上的高度相似.重复地震可用来探测断层深部形变、刻画断层行为、评估地震灾害.然而,重复地震的识别条件阈值设置尚没有统一的标准,常用的识别参数存在较大的主观... 详细信息

重复地震是指不同时期发生在断层同一位置的一组地震,表现为波形和震源机制上的高度相似.重复地震可用来探测断层深部形变、刻画断层行为、评估地震灾害.然而,重复地震的识别条件阈值设置尚没有统一的标准,常用的识别参数存在较大的主观性,会导致识别重复地震存在误差.为解决上述问题,本研究利用基于机器学习中的层次聚类算法构建了一个自动高效的重复地震识别方法.首先采用波形并行互相关技术计算地震波形之间的互相关系数,结合S-P到时差方法估算地震震源之间的距离,再利用层次聚类方法将地震聚类,获得重复地震.本文将该方法应用至甘孜—玉树断裂带和东昆仑断裂带地区的地震活动,识别重复地震并估算断层滑动速率.在甘孜—玉树断裂带附近共识别出6组重复地震组,它们均沿甘孜—玉树断裂带走向布展,平均断层滑动速率为7.4 mm/a.东昆仑断裂带附近共识别出3组重复地震组,平均断层滑动速率为6.9 mm/a.沿东昆仑断裂东段,断层滑动速率呈现出速率向东逐渐降低的趋势,显示该区域复杂的动力作用过程.这些结果与野外地质观测和GPS大地测量结果较为一致.基于实际数据测试和验证,结果表明本文发展的基于聚类的识别重复地震方法具有自动、高效、便捷的特性,为准确识别重复地震提供了重要的基础资料,为分析断层活动性提供了重要约束.

关键词：重复地震聚类分析甘孜—玉树断裂带东昆仑断裂带

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瓦斯爆炸冲击波扰动后毒害气体云团运移特性

中国矿业大学学报 2021年第4期50卷 667-675页

作者：李芸卓季淮君苏贺涛中国地质大学(北京)工程技术学院北京100083 中国地质大学(北京)国土资源部深部地质钻探技术重点实验室北京100083

为了研究煤矿瓦斯爆炸后毒害气体的致灾影响,建立了井下巷道内毒害气体运移模型,分析了不同风流速度、不同转角角度下,CO浓度随运移时间的变化规律及毒害气体云团运移速度和尺寸的变化特性.认为风流速度主要影响毒害气体云团达到最大长... 详细信息

为了研究煤矿瓦斯爆炸后毒害气体的致灾影响,建立了井下巷道内毒害气体运移模型,分析了不同风流速度、不同转角角度下,CO浓度随运移时间的变化规律及毒害气体云团运移速度和尺寸的变化特性.认为风流速度主要影响毒害气体云团达到最大长度的时间,但对其最大长度没有明显影响;转角处毒害气体浓度峰值有突增现象,经过转角后其运移速度逐渐衰减.研究结果表明:风流速度越大,CO的滞留时间越短,其浓度峰值越高,如扩散距离80 m处,当风流速度从1 m/s增加至3 m/s时,CO的滞留时间减少了130 s,而浓度峰值增加了9.97×10^(-4);随着转角从30°增加至60°,毒害气体云团的运移速度衰减加快,在巷道内存在的时间减少了120 s;毒害气体云团的长度随运移时间呈倒U型的变化趋势,风流速度的增加明显缩短毒害气体云团达到最大长度的时间,但对最大长度大小影响较小,如风流速度为3 m/s时云团达最大长度的时间比1 m/s时减小了近1倍,但最大长度均约为245 m.

关键词：瓦斯爆炸毒害气体云团风流速度巷道转角运移特性

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冻融循环下隧道围岩冻胀力理论计算

中南大学学报（自然科学版） 2020年第4期51卷 1049-1058页

作者：刘红岩赵雨霞中国地质大学(北京)工程技术学院北京100083 国土资源部深部地质钻探技术重点实验室北京100083

围岩冻胀导致寒区隧道衬砌破坏,但是目前围岩冻胀力计算几乎都没有同时考虑冻融循环所导致的岩石弹性模量降低及孔隙率增加的共同影响。为此,首先,介绍前人提出的圆形隧道围岩冻胀力弹性力学计算模型;其次,基于Griffith断裂理论及细观... 详细信息

围岩冻胀导致寒区隧道衬砌破坏,但是目前围岩冻胀力计算几乎都没有同时考虑冻融循环所导致的岩石弹性模量降低及孔隙率增加的共同影响。为此,首先,介绍前人提出的圆形隧道围岩冻胀力弹性力学计算模型;其次,基于Griffith断裂理论及细观损伤理论建立岩石弹性模量与冻融循环次数之间的关系式;最后,提出能同时考虑冻融循环下岩石弹性模量及孔隙率变化的围岩冻胀力损伤力学计算方法。研究结果表明:随着冻融循环次数增加,围岩冻胀力逐渐增加,并趋于定值。岩石冻胀力主要是由岩石孔隙水的冻结膨胀所致,因此,要减轻围岩冻胀破坏应采用截排水措施以控制水的渗入。

关键词：冻融循环圆形隧道冻胀力损伤弹性模量冻胀率