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Assessing cutter-rock interaction during TBM tunnelling in granite:Large-scale standing rotary cutting tests and 3D DEM simulations
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作者 Xin Huang Miaoyuan Tang +4 位作者 Shuaifeng Wang Yixin Zhai Qianwei Zhuang Chi Zhang Qinghua Lei 《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》 SCIE CSCD 2024年第9期3595-3615,共21页
The widespread utilisation of tunnel boring machines(TBMs)in underground construction engineering requires a detailed investigation of the cutter-rock interaction.In this paper,we conduct a series of largescale standi... The widespread utilisation of tunnel boring machines(TBMs)in underground construction engineering requires a detailed investigation of the cutter-rock interaction.In this paper,we conduct a series of largescale standing rotary cutting tests on granite in conjunction with high-fidelity numerical simulations based on a particle-type discrete element method(DEM)to explore the effects of key cutting parameters on the TBM cutter performance and the distribution of cutter-rock contact stresses.The assessment results of cutter performance obtained from the cutting tests and numerical simulations reveal similar dependencies on the key cutting parameters.More specifically,the normal and rolling forces exhibit a positive correlation with penetration but are slightly influenced by the cutting radius.In contrast,the side force decreases as the cutting radius increases.Additionally,the side force shows a positive relationship with the penetration for smaller cutting radii but tends to become negative as the cutting radius increases.The cutter's relative effectiveness in rock breaking is significantly impacted by the penetration but shows little dependency on the cutting radius.Consequently,an optimal penetration is identified,leading to a low boreability index and specific energy.A combined Hertz-Weibull function is developed to fit the cutter-rock contact stress distribution obtained in DEM simulations,whereby an improved CSM(Colorado School of Mines)model is proposed by replacing the original monotonic cutting force distribution with this combined Hertz-Weibull model.The proposed model outperforms the original CSM model as demonstrated by a comparison of the estimated cutting forces with those from the tests/simulations.The findings from this work that advance our understanding of TBM cutter performance have important implications for improving the efficiency and reliability of TBM tunnelling in granite. 展开更多
关键词 Large-scale standing rotary cutting test Discrete element method(DEM)simulation cutter-rock interaction Improved CSM(Colorado School of Mines) model Cutting force
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Modelling and mechanical characteristics of PDC cutter-rock interaction by combining mixed fragmentation modes with dynamic rock strength
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作者 Guangjian Dong Ping Chen +2 位作者 Xudong Wang Jianhong Fu Yingxin Yang 《Petroleum》 EI CSCD 2024年第3期474-482,共9页
Polycrystalline diamond compact(PDC)bit is one of the most widely used drill bits for improving the rate of penetration in deep oil and gas well and geothermal well.However,the dynamic rock fragmentation mechanics cha... Polycrystalline diamond compact(PDC)bit is one of the most widely used drill bits for improving the rate of penetration in deep oil and gas well and geothermal well.However,the dynamic rock fragmentation mechanics characteristics of PDC bits are still unclearly.A coupled fragmentation mechanics model of PDC cutter-rock interaction is established by combining the mixed fragmentation modes with dynamic strength.The coupling influence laws of cutter angle,cutting depth,dynamic strength ratio,breaking modes on the horizontal force coefficient(HFC),vertical force coefficient(VFC)and specific energy are analyzed.The model of this paper can optimize cutter inclination angle,cutting depth and minimum specific energy.With the increase of the cutter inclination angle,the dynamic VFC changes into two modes.The definition of the dynamic modes depends on the dynamic strength ratio.As the cutting angle increases,the cutting force increases.The cutting force increases nonlinearly with increasing cutting depth.The specific energy of rock fragmentation increases nonlinearly with increasing cutting depth.With the increase of dynamic strength,the specific energy of rock fragmentation increases nonlinearly.When the input-energy increases,the rate of penetration response is divided into three stages.The results have important guiding significance for the PDC bit design and drilling parameters optimization to increase the rate of penetration and the efficiency of exploration and development. 展开更多
关键词 Mechanical characteristics PDC cutter-rock inter action Mixed fragmentation modes Dynamic rock strength
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沙溪庙组硬质砂岩地层异形PDC齿的设计与研究 被引量:1
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作者 马亚超 罗逸非 +4 位作者 荣准 陶垒 曾汇川 蒋东 张文远 《工程设计学报》 北大核心 2025年第2期262-271,共10页
为解决川东沙溪庙组硬质砂岩地层PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头机械钻速低、磨损严重及钻井成本高的问题,对异形PDC齿在沙溪庙组硬质砂岩地层的破岩性能进行了综合研究。针对沙溪庙组砂岩地层高研磨性、... 为解决川东沙溪庙组硬质砂岩地层PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头机械钻速低、磨损严重及钻井成本高的问题,对异形PDC齿在沙溪庙组硬质砂岩地层的破岩性能进行了综合研究。针对沙溪庙组砂岩地层高研磨性、硬塑性的特点,设计了斧形齿、圆弧曲面齿、斧形曲面齿和斜斧形齿等4种异形PDC齿,并建立了PDC齿切削与压入破岩结合的综合破岩比功评价方法。随后,利用破岩仿真模型,开展了异形PDC齿结构参数优化设计,并对优化后的异形PDC齿进行了破岩性能仿真分析。结果表明:齿刃角为130°的斧形齿和圆弧半径为25 mm的圆弧曲面齿的综合破岩比功最小。最终确定斧形曲面齿的圆弧半径为25 mm,齿刃角为130°,斜斧形齿的齿刃角为130°,倾斜角度为70°。4种异形PDC齿的综合破岩比功和齿刃温度均低于常规PDC齿,且综合破岩比功与磨损高度呈正相关。室内破岩试验结果表明,斧形齿与斧形曲面齿具有更优异的破岩性能。研究结果为沙溪庙组硬质砂岩地层的个性化PDC钻头设计提供了理论基础。 展开更多
关键词 沙溪庙组硬质砂岩 异形PDC齿 破岩比功 破岩性能
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TBM不均匀磨损盘形滚刀破岩力研究
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作者 张照煌 王鑫鑫 +1 位作者 卓兴建 贾连辉 《力学学报》 北大核心 2025年第5期1188-1201,共14页
全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀破岩力研究一直是领域研究热点,但目前对盘形滚刀破岩力研究多以室内切割试验和数值模拟为主,相应的研究成果多为经验模型,难以全面反映实际工程中滚刀不均匀磨损对破岩力的影响.据此,基于塑性力学理论结... 全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀破岩力研究一直是领域研究热点,但目前对盘形滚刀破岩力研究多以室内切割试验和数值模拟为主,相应的研究成果多为经验模型,难以全面反映实际工程中滚刀不均匀磨损对破岩力的影响.据此,基于塑性力学理论结合数值模拟与理论分析,揭示了盘形滚刀作用下岩石的“塑-脆”特性,推导并建立了磨损盘形滚刀破岩法向力与滚动力理论方程,经验证误差小于4%.通过ABAQUS软件建立了不均匀磨损盘形滚刀破岩数值模型,对比研究了不均匀磨损盘形滚刀破岩力和破岩比能,首次将不均匀磨损盘形滚刀破岩过程划分为可接受、过渡和不可接受非协同破岩3个阶段.建立了不同安装半径下不均匀磨损盘形滚刀破岩比能预测理论,经验证最大误差为6.5%,并首次定义了衡量破岩非协同性程度的不均匀磨损盘形滚刀破岩性能指标η.研究结果表明,不均匀磨损盘形滚刀破岩力随磨损量增加而增大,破岩比能随磨损量和安装半径增加而增大,且具有明显区间效应.论文研究为TBM作业刀具更换和不均匀磨损盘形滚刀破岩力和比能预测提供了有益参考和借鉴. 展开更多
关键词 全断面岩石掘进机 不均匀磨损 盘形滚刀 破岩力
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TBM盘形滚刀接岩域应力分布规律
5
作者 张照煌 韩东 +2 位作者 司健康 苏翠侠 贾连辉 《中国工程机械学报》 北大核心 2025年第4期633-638,共6页
破岩力是盘形滚刀设计、磨损分析以及破岩增效的基础,也是TBM设计的主要依据。在给定盘形滚刀与岩石接触区域应力分布公式的基础上,研究了公式中的关键参数——分布指数(χ)。通过盘形滚刀线性破岩的数值模拟和理论分析,研究了17"... 破岩力是盘形滚刀设计、磨损分析以及破岩增效的基础,也是TBM设计的主要依据。在给定盘形滚刀与岩石接触区域应力分布公式的基础上,研究了公式中的关键参数——分布指数(χ)。通过盘形滚刀线性破岩的数值模拟和理论分析,研究了17"和19"平刃和圆刃等截面(CCS)盘形滚刀接岩域应力分布规律,发现了χ与盘形滚刀刃型、尺寸以及贯入度的关系,并分别建立了χ的理论表达式及相应盘形滚刀垂直破岩力预测理论。结果表明:盘形滚刀的尺寸对应力分布影响较小;圆刃滚刀χ值受到贯入度的影响较大;应用文中所建盘形滚刀垂直破岩力预测理论,预测值与模拟值相比,相对误差均小于10%。本研究为TBM盘形滚刀破岩刃接岩域应力分布和垂直破岩力预测提供了有益借鉴。 展开更多
关键词 盘形滚刀 破岩力 贯入度 刃型 应力分布
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基于岩石塑脆性临界破碎理论的高效破岩PDC钻头研制与应用
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作者 祝效华 胡海 +4 位作者 刘伟吉 冯少波 何灵 田万顷 梁红军 《天然气工业》 北大核心 2025年第5期102-112,共11页
塔里木盆地作为中国最大的含油气盆地,油气资源丰富,勘探开发潜力巨大。然而,塔里木盆地寒武系发育巨厚白云岩,其岩石强度大、可钻性极差,导致传统PDC(Polycrystalline Diamond Compact)钻头在白云岩地层中的机械钻速低、单只钻头进尺... 塔里木盆地作为中国最大的含油气盆地,油气资源丰富,勘探开发潜力巨大。然而,塔里木盆地寒武系发育巨厚白云岩,其岩石强度大、可钻性极差,导致传统PDC(Polycrystalline Diamond Compact)钻头在白云岩地层中的机械钻速低、单只钻头进尺少。为此,针对塔里木盆地寒武系白云岩地层进行了包括内部结构、力学特性、研磨性与可钻性的综合研究和分析,然后结合已有的白云岩地层钻头结构,优选了主切削齿类型、冠部曲线及刀翼参数,在岩石塑—脆性临界破碎理论的指导下,优化了布齿参数、水力结构,最终形成了适用于寒武系白云岩地层的新型高效PDC钻头并开展了现场试验。研究结果表明:①白云岩地层非均质性强、结构致密、强度大,单轴压缩强度达221.51 MPa,具有中等研磨性并且在高围压条件下的可钻性极差;②PDC钻头采用“浅锥型冠部+长保径段”结构,能够有效降低扭矩波动,进而提升钻头在白云岩地层中的钻进稳定性;③基于塑—脆性临界破碎理论设计的高效破岩PDC钻头在寒武系白云岩层段的提速效果显著,总进尺为603 m,机械钻速为2.87 m/h。结论认为,设计的DS675H钻头经现场应用打破了目前塔里木盆地白云岩地层单只钻头进尺最长和机械钻速最快纪录,为后续寒武系及其以下地层高效钻井提供了技术储备,为深部难钻地层钻井提速提效提供了技术支撑。 展开更多
关键词 塔里木盆地 寒武系 白云岩 PDC钻头 异形齿 塑—脆性 高效破岩 钻井提速
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吉木萨尔页岩地层PDC钻头破岩模拟及优选
7
作者 臧传贞 《石油机械》 北大核心 2025年第9期29-36,共8页
常规平面齿PDC钻头在钻井时问题突出,如磨损严重、崩齿频繁、进尺短,导致钻井效率低、成本高。为了提高吉木萨尔页岩油钻井勘探开发速度,降低成本,开展了新型多棱齿PDC钻头研究。页岩地层层理性特征较为明显,岩性硬度较高。在建模时,不... 常规平面齿PDC钻头在钻井时问题突出,如磨损严重、崩齿频繁、进尺短,导致钻井效率低、成本高。为了提高吉木萨尔页岩油钻井勘探开发速度,降低成本,开展了新型多棱齿PDC钻头研究。页岩地层层理性特征较为明显,岩性硬度较高。在建模时,不考虑岩石孔隙和钻井液所产生的影响,忽略切削过程中温度和磨损情况,以简化计算条件;考虑页岩各向异性,采用Drucker-Prager屈服准则描述页岩力学行为构建有限元模型。切削破岩仿真结果表明,多棱齿相较于平面齿优势明显,其接触应力分布均匀,所受应力更小,载荷波动幅度低,能有效解决岩石“抱团”问题,大幅提升破岩效率。在吉木萨尔页岩地区实钻应用中,新型多棱齿的PDC钻头在单只钻头进尺和平均机械钻速等方面均表现优异。与常规平面齿钻头相比,平均机械钻速提高35%,平均单只钻头进尺提高81%。新型多棱齿PDC钻头的良好破岩效果可为页岩地层钻头优选提供重要参考。 展开更多
关键词 PDC钻头 页岩地层 切削齿 多棱齿 钻井提速 破岩 吉木萨尔
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应力状态和槽深对预切槽辅助滚刀破岩影响的近场动力学研究 被引量:1
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作者 周建 沈君逸 +2 位作者 廖星川 刘福深 尚肖楠 《中南大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第1期189-200,共12页
首先,利用线弹性近场动力学本构模型(linear peridynamic solids,LPS)对预切槽辅助滚刀破岩问题进行了模拟,并将数值结果与试验数据进行了对比;其次,设置了σ_(x)=5 MPa、σ_(z)=20 MPa和σ_(x)=20 MPa、σ_(z)=5 MPa这2种应力状态,0、9... 首先,利用线弹性近场动力学本构模型(linear peridynamic solids,LPS)对预切槽辅助滚刀破岩问题进行了模拟,并将数值结果与试验数据进行了对比;其次,设置了σ_(x)=5 MPa、σ_(z)=20 MPa和σ_(x)=20 MPa、σ_(z)=5 MPa这2种应力状态,0、9、18和30 mm这4种预切槽深度,总计8种工况;最后,研究了应力状态和预切槽深度对岩石破坏形态和破岩效率影响。研究结果表明:滚刀峰值贯入力随槽深的变化规律和岩石破坏形态与试验结果相符,从而验证了模型的可行性;在不同的槽深下,岩石存在2种破坏形态;当槽深为3 mm时,2个滚刀之间形成岩石破碎区;当槽深大于3 mm时,2个滚刀之间形成完整的岩块;当大主应力沿z方向时,会产生中央贯通裂纹;而当大主应力沿x方向时,则不会生成中央贯通裂纹;随着槽深增大,岩石损伤集中在预切槽附近区域,破岩效率也随之增高;当槽深≥18 mm时,峰值贯入力和比能较小,且两者受应力状态影响也较小。为实现不同应力条件下破岩性能的优化平衡、延长滚刀的使用寿命并降低施工成本,建议预切槽深度不小于18 mm;当预切槽深度无法达到该要求时,可在水平方向为大主应力方向时适当增加预切槽深度。 展开更多
关键词 预切槽 三维滚刀破岩 近场动力学 应力状态 预切槽深度
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TBM常截面盘形滚刀破岩过程受力研究
9
作者 李忠艳 刘杨 +2 位作者 张雯超 吴志强 李瑞红 《人民长江》 北大核心 2025年第1期173-179,204,共8页
针对目前工程上常用的常截面盘形滚刀受力分析问题,应用有限元方法建立了滚刀破岩的三维旋转切割模型,模拟滚刀破岩过程。通过计算得出常截面盘形滚刀破岩时的切削力,并与实验数据和文献数据进行比较,结果表明模拟的滚刀切削力与实际情... 针对目前工程上常用的常截面盘形滚刀受力分析问题,应用有限元方法建立了滚刀破岩的三维旋转切割模型,模拟滚刀破岩过程。通过计算得出常截面盘形滚刀破岩时的切削力,并与实验数据和文献数据进行比较,结果表明模拟的滚刀切削力与实际情况较为吻合,验证了仿真模拟的可靠性。同时,滚刀破岩掘进试验结果表明,所测滚刀垂直力随时间变化曲线与仿真结果一致,呈波动特征,且滚刀切削力试验值与仿真数据误差较小。进一步将模拟数据与科罗拉多矿业大学(CSM)模型对比,发现整体结果较CSM模型值偏大,但与实验值更接近。通过对仿真模型岩石强度、掘进加载速率、刀刃宽度3个因素进行参数敏感性分析,得出在相同贯入度下,垂直力随上述因素的增大而提高,但掘进加载速率对垂直力的影响较小。相关成果可为TBM隧道的掘进设计与施工提供参考。 展开更多
关键词 滚刀破岩 切削力 有限元 掘进试验 CSM模型
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弱胶结砂质泥岩破岩类材料优化制备及其贯入特性
10
作者 程桦 吴志哲 +2 位作者 王晓云 郭龙辉 胡方宇 《安徽理工大学学报(自然科学版)》 2025年第1期74-82,共9页
目的针对西部侏罗系弱胶结砂质泥岩钻井法凿井破岩相似模型试验类材料的配制需求及其破岩效率低下问题。方法基于砂质泥岩物理力学特性与钻井法凿井破岩工况,配制砂质泥岩破岩类材料,分析不同配比类材料的物理力学特性,采用极差分析法... 目的针对西部侏罗系弱胶结砂质泥岩钻井法凿井破岩相似模型试验类材料的配制需求及其破岩效率低下问题。方法基于砂质泥岩物理力学特性与钻井法凿井破岩工况,配制砂质泥岩破岩类材料,分析不同配比类材料的物理力学特性,采用极差分析法对破岩类材料强度进行敏感性因素分析;并开展破岩类材料滚刀贯入试验,研究不同侧限应力条件下的钻井法凿井滚刀破岩效率。结果石膏掺量是影响类材料抗压强度的关键因素,胶砂比是影响类材料抗拉强度与抗剪强度的关键因素;当m砂∶m水泥∶m石膏∶m高岭土∶m水∶m减水剂=10∶12.5∶7.5∶1.5∶6∶0.2时,类材料的物理力学特性满足砂质泥岩的相似条件要求。结论两种状态类材料试样的荷载-贯入度曲线均可分为非线性变形阶段、线弹性变形阶段、裂纹萌生和扩展阶段、峰后破坏阶段4个阶段,自然状态试样为脆性破坏,饱水状态试样为塑性破坏,两种状态类材料试样的比能耗、抗侵入系数均与侧限应力呈正相关,但相同侧限应力时,饱水状态试样的比能耗与抗侵入系数均小于自然状态试样,降低平均值分别为28.7%、28.5%。研究成果可为西部侏罗系弱胶结砂质泥岩地层钻井法滚刀破岩试验和破岩机理研究分别提供类材料配比参考与理论指导。 展开更多
关键词 钻井法凿井 弱胶结砂质泥岩 破岩类材料 滚刀贯入试验 破岩效率
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异形PDC齿切削破碎非均质砾岩数值模拟
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作者 石建刚 李根生 +3 位作者 刘伟吉 吴德胜 张楠 邓开创 《石油机械》 北大核心 2025年第6期44-51,共8页
PDC钻头在钻进砾岩地层时,频繁的冲击载荷会缩短PDC齿预期寿命,导致钻头频繁换钻,进而影响钻井效率。异形齿可以改变齿面受到的冲击情况,选择耐冲击的齿面是应对这类地层的有效方法之一。为了研究不同结构PDC齿在切削砾岩时的表现特性,... PDC钻头在钻进砾岩地层时,频繁的冲击载荷会缩短PDC齿预期寿命,导致钻头频繁换钻,进而影响钻井效率。异形齿可以改变齿面受到的冲击情况,选择耐冲击的齿面是应对这类地层的有效方法之一。为了研究不同结构PDC齿在切削砾岩时的表现特性,选取了准噶尔盆地深部取心砾岩作为研究对象,基于非均质砾岩有限元模型,通过单轴压缩试验进行了砾岩模型参数标定,并开展了异形齿切削破岩仿真,讨论了12种齿形在相同前倾角和切削深度情况下的切削效果。研究结果表明:斧形齿和三平面齿的平均切削力虽然较大,但是整体波动更稳定;平面齿、凹面齿、凸面齿和双曲面齿的切削力波动都较大,齿面会受到较大的冲击;双曲面齿的破岩比功最小,楔形齿的最大;在不考虑PDC齿刚度的情况下,通过切削力波动和破岩比功2个指标,斧形齿、三平面齿是所有齿形中的较优选择。该研究可为钻进砾岩地层时PDC钻头的齿形选择提供一定参考。 展开更多
关键词 非均质砾岩 异形PDC齿 切削破岩仿真 有限元 切削力 破岩比功
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基于小尺度滚刀直线切割试验的岩石强度预测
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作者 耿麒 李晓斌 +4 位作者 黄雨枫 汪学斌 杨沐霖 郭惠川 章慧健 《山东大学学报(工学版)》 北大核心 2025年第3期111-120,共10页
为支撑岩土、隧道工程中的岩石选样及现场施工的岩石强度测试,研究利用小尺度滚刀直线切割试验反推岩石强度。从隧道工程现场和岩石矿场采集单轴抗压强度为50~230 MPa的岩石试样共9批次,制备棒状和块状试样并分别开展单轴压缩、巴西劈... 为支撑岩土、隧道工程中的岩石选样及现场施工的岩石强度测试,研究利用小尺度滚刀直线切割试验反推岩石强度。从隧道工程现场和岩石矿场采集单轴抗压强度为50~230 MPa的岩石试样共9批次,制备棒状和块状试样并分别开展单轴压缩、巴西劈裂和小尺度滚刀直线切割试验;选取其中7批次试验数据,分别得到单轴抗压强度、劈裂抗拉强度与直线切割试验的法向力均值、峰值及峰均值的拟合函数,用剩余2批次试验结果验证所得预测模型的准确性。结果表明:岩石单轴抗压强度与法向载荷的拟合相关系数大于0.9,劈裂抗拉强度与法向载荷的拟合相关系数大于0.8,说明岩石强度与切割载荷成强线性相关性;验证试验发现,利用法向力均值、峰均值验证时,岩石单轴抗压强度的预测值与试验值误差小于5%,劈裂抗拉强度的预测值与试验值误差小于10%,说明所建模型具有较高的准确性。使用本研究所提出的试验方法及所建模型,可以快速准确地预估岩石试样的强度,为室内试验时岩石采样和现场施工时岩石强度评估提供了一种有效的手段。 展开更多
关键词 滚刀破岩 岩石强度 直线切割试验 缩尺试验 预测模型
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临空面辅助的TBM滚刀群掘进试验与数值模拟
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作者 耿麒 赵振平 +7 位作者 陈建勋 刘伟伟 罗彦斌 马茂勋 李东 冯如兵 吴特力根 李坤 《浙江大学学报(工学版)》 北大核心 2025年第4期759-768,共10页
为了揭示临空面下全断面岩石隧道掘进机(TBM)滚刀群动态掘进效果,开展中导洞辅助下全尺度滚刀群掘进围岩室内试验,进行预切槽辅助下全尺度滚刀群掘进围岩数值模拟,评价分级刀盘式和水射流辅助式TBM的临空面辅助围岩掘进特性与效果.对于... 为了揭示临空面下全断面岩石隧道掘进机(TBM)滚刀群动态掘进效果,开展中导洞辅助下全尺度滚刀群掘进围岩室内试验,进行预切槽辅助下全尺度滚刀群掘进围岩数值模拟,评价分级刀盘式和水射流辅助式TBM的临空面辅助围岩掘进特性与效果.对于单轴抗压强度约为40 MPa的围岩,中导洞临空面结构呈“竖直—倾斜—水平—竖直”演化规律,影响区域集中在近临空面侧2~4把滚刀,临空面的临界间距和高度分别为180、130 mm,掘进推力降低10%~20%,围岩可掘进性提升6.7%~21.0%.破岩载荷随同心环预切槽深度增大而先减小后稳定,破岩效率随切槽深度增大而先提高后稳定.切槽深度的临界值为40 mm,与无预切槽情况相比,掘进推力减小至少36%,掘进效率提升至少56%.增大临空面影响范围可提升分级刀盘式TBW破岩掘进效果. 展开更多
关键词 全断面岩石隧道掘进机 临空面 滚刀破岩 刀盘掘进 预切槽
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不同围压下TBM盘形滚刀破岩机理与比能耗研究
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作者 周鹏 尚建旭 +3 位作者 张天宇 徐佳璨 王子男 何恩光 《隧道建设(中英文)》 北大核心 2025年第5期887-894,共8页
为探究不同围压下TBM盘形滚刀的破岩效率与破碎岩片的破坏模式,采用离散元软件PFC2D,基于伺服原理及线性平行黏结理论,通过对花岗岩进行参数标定生成仿真岩石模型,进而建立滚刀二维仿真破岩模型。在滚刀破岩模型的基础上分别设置1、5、1... 为探究不同围压下TBM盘形滚刀的破岩效率与破碎岩片的破坏模式,采用离散元软件PFC2D,基于伺服原理及线性平行黏结理论,通过对花岗岩进行参数标定生成仿真岩石模型,进而建立滚刀二维仿真破岩模型。在滚刀破岩模型的基础上分别设置1、5、10、15、20、30 MPa 6种围压工况,并在6种围压工况下进行滚刀侵入岩石内部5 mm的仿真模拟,对岩石内部微裂纹的扩展、滚刀破岩比能耗、张拉剪切裂纹数量的变化以及破碎岩片的破坏模式进行研究。研究结果表明:1)随着围压的增大,岩石内部裂纹的破坏模式由沿晶裂纹逐渐向穿晶裂纹转变,剪切裂纹占比由9.4%(围压为1 MPa)上升到21.3%(围压为30 MPa)。2)在围压为10 MPa的工况下,两滚刀间裂纹贯通,脱落的岩片体积较其他5种围压工况下明显偏大,此时破岩比能耗较低,破岩效果较好。3)滚刀侵入岩石5 mm后,随着围压的增大岩石内部的裂纹在径向上的扩展被限制。 展开更多
关键词 TBM 围压 裂纹拓展 破岩机理 比能耗 盘形滚刀
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刃宽对硬岩掘进影响的仿真及试验研究
15
作者 尚勇 孙靖东 +3 位作者 姜海峰 许顺海 段红磊 孙朝阳 《工程科学学报》 EI 北大核心 2025年第1期13-24,共12页
滚刀在硬岩掘进中极易发生崩刃、偏磨等异常失效,研究硬岩掘进条件下刃型参数对滚刀破岩载荷和破岩效率的影响十分重要.本文采用滚刀破岩试验和仿真分析相结合的方法,从载荷曲线、破岩体积、破岩比能等方面分析了刃宽对滚刀破岩的影响.... 滚刀在硬岩掘进中极易发生崩刃、偏磨等异常失效,研究硬岩掘进条件下刃型参数对滚刀破岩载荷和破岩效率的影响十分重要.本文采用滚刀破岩试验和仿真分析相结合的方法,从载荷曲线、破岩体积、破岩比能等方面分析了刃宽对滚刀破岩的影响.基于双线性本构模型及Benzeggagh–Kenane损伤断裂准则建立了岩石材料的内聚力本构模型,通过单轴抗压试验及巴西劈裂试验对内聚力本构模型的微观参数进行了校准,并进一步建立了滚刀破岩的内聚力仿真模型.结果表明:内聚力本构模型可以准确的模拟破岩过程中岩石裂纹的萌生和扩展过程.依据裂纹的萌生和扩展情况,滚刀破岩过程主要分为三个阶段:弹性阶段、裂纹萌生–扩展阶段及岩石破坏卸载阶段.滚刀破岩载荷和破岩体积随着贯入度、刀间距和刃宽的增加而增加;破岩比能随刃宽的增加呈先减小后增大的趋势.对于所选取的硬岩,采用13 mm刃宽滚刀破岩时比能最小,破岩效率最高;7 mm刃宽滚刀破岩时无法形成贯通岩片,相邻滚刀之间仍存在岩脊,破岩效率较低. 展开更多
关键词 滚刀刃宽 Cohesive模型 线切割试验 破岩载荷 破岩效率
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基于FEM-SPG耦合的盾构滚刀破岩仿真研究 被引量:1
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作者 肖毅凯 董磊 《煤矿机械》 2025年第1期196-199,共4页
隧道施工过程中岩石在盾构滚刀破岩力的作用下会发生破碎,传统的有限元方法(FEM)无法探究这一现象。为解决使用FEM面临网格畸变及无法同时分析岩石破碎的问题,引入光滑粒子伽辽金(SPG)分析方法,通过FEM和SPG耦合的方式建立了滚刀回转切... 隧道施工过程中岩石在盾构滚刀破岩力的作用下会发生破碎,传统的有限元方法(FEM)无法探究这一现象。为解决使用FEM面临网格畸变及无法同时分析岩石破碎的问题,引入光滑粒子伽辽金(SPG)分析方法,通过FEM和SPG耦合的方式建立了滚刀回转切削岩石模型。结果表明:FEM-SPG方法能够有效地展示岩石的密实核破碎过程及岩渣飞溅的现象。通过与CSM模型进行对比验证,发现仿真得到的滚刀垂直力与CSM模型相比误差为1.8%,验证了模型的可靠性。该方法与模型能够为滚刀精准破岩研究及分析岩石破碎机理提供新思路。 展开更多
关键词 盾构滚刀 破岩力 回转切削岩石模型 FEM-SPG
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旋转冲击钻井多斧形齿破岩效果数值模拟研究
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作者 冷有恒 王立新 +2 位作者 陈鹏羽 刘荣和 席岩 《石油机械》 北大核心 2025年第7期58-66,共9页
冲击工具、PDC钻头钻齿类型以及硬岩地层的配伍性是延长冲击工具和钻头使用寿命、获得最佳破岩效果的关键因素,但是目前相关研究较少。针对此,考虑旋转冲击钻井过程中轴向静载与冲击载荷、钻齿以及地层之间的相互作用,建立了常规钻井和... 冲击工具、PDC钻头钻齿类型以及硬岩地层的配伍性是延长冲击工具和钻头使用寿命、获得最佳破岩效果的关键因素,但是目前相关研究较少。针对此,考虑旋转冲击钻井过程中轴向静载与冲击载荷、钻齿以及地层之间的相互作用,建立了常规钻井和旋转冲击钻井条件下单、双斧形齿三维破岩数值模型,对比了不同钻井方式下多齿破岩效果的差异性,分析了冲击载荷作用下单、双齿条件下岩石内部拉应力、压应力与剪应力的分布,揭示了冲击载荷作用下多齿破岩机制,研究了不同钻齿倾角和双钻齿间距条件下钻齿侵彻深度、切削面下岩石损伤以及钻齿受力变化规律。研究结果表明:在双斧形齿破岩过程中,岩石内部存在明显的剪应力及拉应力干涉现象;随着钻齿前倾角的增大,岩石剖面损伤面积、侵彻深度和钻齿切向受力均逐渐减小,前倾角为20°时为最佳切削倾角;在钻齿前倾角保持不变的情况下,增大钻齿间距会导致双齿之间的干涉效果逐渐减弱,残余岩脊变得更加显著;考虑岩石切削效果和钻齿受力情况,当双斧形齿间距为16 mm时,钻齿具有较高的破岩效率和较长的使用寿命。研究结果可为冲击钻井过程中PDC钻头类型的选择和钻齿的布局提供理论和工程参考。 展开更多
关键词 PDC钻头 斧形齿 钻齿参数 破岩机制 数值模拟 侵彻深度 切向力 钻齿间距
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基于岩屑形貌分形特征的PDC齿破岩比功评估模型
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作者 赫文豪 李欣龙 +6 位作者 张润青 刘利 史怀忠 黄中伟 熊超 陈振良 吴洪志 《工程设计学报》 北大核心 2025年第1期23-31,共9页
随着我国油气资源探测重心不断向深层、超深层迈进,油气勘探难度不断增大,且深层硬地层岩石强度高及研磨性强,可钻性变差,导致整体机械钻速偏低。为提高深层硬岩的钻头破岩性能,锥形齿被广泛应用于混合布齿PDC(polycrystalline diamond ... 随着我国油气资源探测重心不断向深层、超深层迈进,油气勘探难度不断增大,且深层硬地层岩石强度高及研磨性强,可钻性变差,导致整体机械钻速偏低。为提高深层硬岩的钻头破岩性能,锥形齿被广泛应用于混合布齿PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头设计,但锥形齿的破岩体积较小,其布齿方法需要更全面的理论支撑。为此,以破岩比功为目标函数,通过明确不同类型PDC齿在切削破岩过程中的切削力与切削能耗等物理参数,利用最大岩屑粒径和岩屑粒径分形维数建立了基于岩屑形貌分形特征的PDC齿破岩比功评估模型。同时,通过与常规平面形PDC齿对比,探究了锥形PDC齿的破岩性能,并分析了切削深度、切削角度与切削速度对PDC齿破岩性能的影响规律。结果表明,锥形PDC齿适用于大切削深度低能耗破岩,而常规PDC齿适用于高速小切削深度破岩,且2种PDC齿的工作角度均推荐为20°左右。锥形PDC齿适合布置在混合布齿PDC钻头的中心顶点和冠顶区域,而常规PDC齿适合加密布置在钻头的鼻部至肩部区域。研究结果可为揭示PDC齿破岩生成的岩屑粒径分布规律和指导混合布齿PDC钻头设计提供理论依据。 展开更多
关键词 锥形PDC齿 切削破岩 分形维数 岩屑粒径 破岩比功
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水射流联合刀齿冲击非均质受载岩石的破损特征及能量演化规律 被引量:1
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作者 马宏宇 万文 +4 位作者 王龙 陈勇 杨宇轩 邓舜春 周永 《工矿自动化》 北大核心 2025年第7期122-134,148,共14页
为研究深部复杂地层高应力环境下水射流联合刀齿破碎非均质岩石的效率及机理,基于光滑粒子流体动力学-有限元方法,以含石英、长石、方解石3种组分的砂岩为研究对象建立数值计算模型,研究了单齿单独破碎均质岩石、单齿单独破碎非均质岩... 为研究深部复杂地层高应力环境下水射流联合刀齿破碎非均质岩石的效率及机理,基于光滑粒子流体动力学-有限元方法,以含石英、长石、方解石3种组分的砂岩为研究对象建立数值计算模型,研究了单齿单独破碎均质岩石、单齿单独破碎非均质岩石、水射流联合单齿异轨迹破碎非均质岩石、水射流联合单齿同轨迹破碎非均质岩石4种破碎方式下,非均质岩石的损伤破坏特征及时效特性,分析了受载岩石的破损能量演化规律,揭示了水射流联合刀齿冲击非均质岩石的损伤破坏机理。研究结果表明:水射流联合单齿破碎非均质岩石时,低强度组分与组分界面处将形成损伤脆弱区,且在应力集中作用下易导致主裂缝萌生及扩展,形成大范围重度损伤区;水射流联合单齿异轨迹和同轨迹破碎方式分别在破岩宽度和深度方面具有优势,从岩石破碎面积整体效果出发,水射流联合单齿异轨迹破碎方式较好;在水射流联合刀齿冲击作用下,非均质受载岩石破损能量变化以内能为主,其最大值出现时刻早于动能最大值出现时刻,高强度组分对其内能累积具有促进作用;非均质受载岩石的初始损伤主要由压剪应力导致,随后在压剪应力为主、拉应力为辅及应力集中效应的综合作用下发生瞬时断裂破坏。 展开更多
关键词 煤炭开采 巷道掘进 刀齿破岩 高压水射流 非均质岩石 破坏特征 能量演化
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