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Assessing cutter-rock interaction during TBM tunnelling in granite:Large-scale standing rotary cutting tests and 3D DEM simulations 被引量:1
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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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基于离散元数值模拟的TBM滚刀贯入破岩过程影响因素分析
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作者 梁峰 裴成元 +2 位作者 罗纬邦 尤明龙 谭飞 《安全与环境工程》 北大核心 2026年第1期124-130,139,共8页
复杂的隧道掘进环境会导致隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)施工受阻,从而引发工程事故。为提升TBM破岩效率,基于离散元数值模拟方法,研究了滚刀形状、滚刀数目、滚刀间距和围压等因素对TBM滚刀贯入破岩过程的影响。结果表明:①... 复杂的隧道掘进环境会导致隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)施工受阻,从而引发工程事故。为提升TBM破岩效率,基于离散元数值模拟方法,研究了滚刀形状、滚刀数目、滚刀间距和围压等因素对TBM滚刀贯入破岩过程的影响。结果表明:①常截面滚刀与V形滚刀的破岩机理存在差异;从破岩比功角度分析,常截面滚刀的破岩效率高于V形滚刀。②在掘进凝灰岩地层时,常截面双滚刀的破岩效果和效率均优于单滚刀。③当双滚刀的滚刀间距为4~6倍刃宽(d)时,破岩效果较好。④围压对破岩过程的影响可分为应力增强、应力损伤和应力破碎3个阶段。研究结果可为不同掘进环境下的TBM刀具选型提供参考:硬岩地层宜选用常截面滚刀;软岩地层宜选用V型滚刀;常截面双滚刀的滚刀间距宜取6d。 展开更多
关键词 隧道掘进机(TBM) 滚刀 破岩 围压 离散元数值模拟
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西部地区侏罗系岩层钻井法凿井铣齿滚刀破岩力计算模型
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作者 程桦 王晓云 +3 位作者 姚直书 朱建 荣传新 付新鹏 《岩土工程学报》 北大核心 2026年第3期642-654,共13页
针对中国西部地区侏罗系岩层钻井法凿井滚刀磨损严重、破岩效率低下问题,以该工法常用的铣齿滚刀为研究对象,阐明了滚刀与岩石的接触行为,分析了单圈、单排刀齿的破岩模式,推导了垂直力和滚动力计算公式,建立了三刀齿铣齿滚刀破岩力计... 针对中国西部地区侏罗系岩层钻井法凿井滚刀磨损严重、破岩效率低下问题,以该工法常用的铣齿滚刀为研究对象,阐明了滚刀与岩石的接触行为,分析了单圈、单排刀齿的破岩模式,推导了垂直力和滚动力计算公式,建立了三刀齿铣齿滚刀破岩力计算模型;采用数值模拟方法获得了界定破岩模式的临界贯入度,并通过旋转破岩试验验证了破岩力计算模型的合理性;最后,探讨了贯入度、滚刀转速、刀身参数等主要因素对破岩力的影响规律。研究表明,铣齿滚刀单圈刀齿破岩模式可分为递进式破岩和非递进式破岩,单排刀齿破岩模式可分为刀齿协同破岩和刀齿非协同破岩;当h≥5.33mm时,前后排刀齿为递进式破岩;当h≥3.06mm时,同排刀齿为协同破岩;垂直力和滚动力均与贯入度、滚刀转速、刀齿刀刃长度呈正相关关系,减小排间距、齿间距可分别减小递进式破岩、刀齿协同破岩的临界贯入度。研究成果可为西部侏罗系岩层钻井法凿井破岩刀具设计优化,以及类似条件机械破岩机理研究提供有益参考。 展开更多
关键词 钻井法凿井 铣齿滚刀 破岩力计算模型 贯入度 破岩试验
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粗糙裂隙岩体滚刀破岩及裂纹扩展机制
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作者 王培涛 黄浩 +2 位作者 荆国业 周晓敏 解联库 《应用基础与工程科学学报》 北大核心 2026年第1期211-222,共12页
滚刀破岩工作参数和岩体裂隙物理特征是影响硬岩条件下滚刀破岩机理的重要因素.基于MATLAB与AutoCAD平台分别建立光滑离散节理网络(DFN)模型、粗糙离散节理网络(RDFN)模型和三维方形滚刀模型,结合颗粒流离散元PFC数值模拟方法分析了不... 滚刀破岩工作参数和岩体裂隙物理特征是影响硬岩条件下滚刀破岩机理的重要因素.基于MATLAB与AutoCAD平台分别建立光滑离散节理网络(DFN)模型、粗糙离散节理网络(RDFN)模型和三维方形滚刀模型,结合颗粒流离散元PFC数值模拟方法分析了不同侵岩速度和裂隙面粗糙度的破岩效果.研究结果表明:完整岩石滚刀破岩破坏区由岩石表面逐渐向内部延伸,力链呈发散性分布;滚刀侵岩速度对破坏载荷与裂纹数量变化趋势无明显影响,均以剪切裂纹为主.复杂裂隙岩体破裂中力链与裂纹扩展均沿着破坏裂隙面分布,以张拉裂纹为主.破坏区由初始破坏裂隙面处逐渐贯通岩体表面而形成,RDFN模型的破坏载荷较DFN模型的破坏载荷大.RDFN模型与DFN模型的裂纹扩展和破坏模式均受裂隙面控制,裂隙面粗糙度影响着裂纹扩展方向.该研究成果以期为复杂裂隙岩体滚刀破岩机制研究提供有益参考. 展开更多
关键词 裂隙岩体 滚刀破岩 DFN模型 RDFN模型 离散元 节理面表征
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基于混合智能优化算法的滚刀破岩效率预测方法
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作者 范瑛 陶威龙 +3 位作者 刘滨 刘学伟 黄兴 刘朋飞 《科学技术与工程》 北大核心 2026年第8期3506-3522,共17页
在全断面隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)掘进过程中,滚刀破岩效率受复杂地质条件及机械参数的显著影响,针对不同地质工况下滚刀破岩效率的智能预测对保障TBM高效破岩具有重要意义。提出基于支持向量机(support vector machine,S... 在全断面隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)掘进过程中,滚刀破岩效率受复杂地质条件及机械参数的显著影响,针对不同地质工况下滚刀破岩效率的智能预测对保障TBM高效破岩具有重要意义。提出基于支持向量机(support vector machine,SVM)与智能优化算法混合的TBM节理岩体滚刀破岩效率预测方法,分别使用粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO),飞蛾扑火优化算法(moth-flame optimization,MFO)和黑池鸢优化算法(black-winged kite algorithm,BKA)优化确定SVM的惩罚因子和核函数参数。预测模型输入参数包括围压、节理间距、节理倾角、岩石强度、贯入度、刀盘推力和刀盘滚动力,输出参数为比能。通过全尺寸线性切割试验和离散元数值模拟构建样本数据集,用于模型的训练和测试。结果表明:BKA-SVM模型在稳定性、计算效率和预测精度方面显著优于PSO-SVM和MFO-SVM模型,适用于TBM节理岩体滚刀破岩效率预测。对预测出的数据进行重要性分析显示,岩石强度和贯入度为最重要的影响因素,滚刀破岩最优贯入度为3 mm且岩石强度越大,比能以及比能变化趋势越大。研究成果可为TBM掘进过程中的破岩效率预测和优化提供指导,具有提高效率、降低能耗的潜在应用价值。 展开更多
关键词 滚刀破岩效率 节理岩石 支持向量机(SVM) 智能优化算法 比能 参数寻优
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高围压条件下PDC异形齿切削硅质白云岩数值模拟研究
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作者 张志 刘伟吉 +4 位作者 梁红军 田万顷 刘会良 周保成 胡海 《西安石油大学学报(自然科学版)》 北大核心 2026年第1期125-133,共9页
为进一步提高PDC钻头在白云岩地层中的钻进性能,以硅质白云岩为实验对象,利用有限元方法建立了非均质硅质白云岩模型,建立了围压条件下的单齿切削模型,开展了高围压条件下平面齿、斧形齿与多棱齿切削破碎硅质白云岩的数值模拟实验,并对3... 为进一步提高PDC钻头在白云岩地层中的钻进性能,以硅质白云岩为实验对象,利用有限元方法建立了非均质硅质白云岩模型,建立了围压条件下的单齿切削模型,开展了高围压条件下平面齿、斧形齿与多棱齿切削破碎硅质白云岩的数值模拟实验,并对3种PDC齿的切削性能进行了研究。通过模拟结果可知,斧形齿与多棱齿的切削力曲线更平稳、波动小,切削力的峰值也更小,即斧形齿与多棱齿的抗冲击能力更强;切削齿的切削力会随围压的增大而增大,但围压的增大只会增加切削齿破坏岩石的能量需求,而不会改变切削力的波峰与波谷的分布区间;斧形齿在钻进硅质白云岩地层时需要的钻压更小,并且其受到的轴向冲击更小,侵入硅质白云岩地层更为容易。该结论能为兼备攻击性、抗冲击性强、适用于白云岩地层的PDC钻头布齿设计提供理论基础。 展开更多
关键词 白云岩 PDC异形齿 围压 破岩效率
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截削式竖井掘进机截割参数优化与刀具组合破岩特性研究
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作者 姚满 唐崇茂 +1 位作者 杨志江 朱彬 《煤炭工程》 北大核心 2026年第2期225-234,共10页
随着我国煤炭资源开采深度的增加,传统竖井施工方法在效率与安全性方面的局限日益凸显。以截削式竖井掘进机为研究对象,基于有限元动态仿真方法,系统分析了截割滚筒转速、牵引速度及铣挖深度对截割载荷、功率及比能耗的影响规律,并对比... 随着我国煤炭资源开采深度的增加,传统竖井施工方法在效率与安全性方面的局限日益凸显。以截削式竖井掘进机为研究对象,基于有限元动态仿真方法,系统分析了截割滚筒转速、牵引速度及铣挖深度对截割载荷、功率及比能耗的影响规律,并对比分析了截齿与贝壳刀在硬岩孤石地层的破岩特性。研究结果表明:截割滚筒水平载荷和垂直载荷随转速升高呈下降趋势,而截割功率与比能耗显著增加;牵引速度增大导致载荷与功率线性增长,但比能耗在牵引速度为23 mm/s时达到峰值;铣挖深度增加可降低比能耗,但需权衡载荷波动对设备寿命的影响。因此适量降低滚筒转速、减小牵引速度及增大铣挖深度可显著优化比能耗。在硬岩孤石地层中,贝壳刀可有效分离孤石并减少载荷冲击,而在纯硬岩地层中,普通截齿刀具效率更高。 展开更多
关键词 截削式竖井掘进机 截割参数优化 截齿组合 破岩效率 比能耗
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PDC齿形状对破岩效果的影响机制
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作者 孟祥波 杨焕龙 +4 位作者 黄杰 张鲁 未九森 李越 刘维 《金刚石与磨料磨具工程》 北大核心 2026年第1期83-92,共10页
聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)异形齿是应对深地、深海等复杂地层破岩挑战的关键工具,但目前其破岩机理的理论研究不足,制约了齿形优化设计。为此,本研究选取4种典型PDC齿开展室内单齿破岩试验和破岩机理研究... 聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)异形齿是应对深地、深海等复杂地层破岩挑战的关键工具,但目前其破岩机理的理论研究不足,制约了齿形优化设计。为此,本研究选取4种典型PDC齿开展室内单齿破岩试验和破岩机理研究。首先借助高速摄像机观测各PDC齿的破岩过程,将平面圆形齿破岩过程的视频图像和切削力同步对应;然后将平面圆形齿破岩过程中齿前岩石失效区域划分为压实区、塑性流动区、块状岩屑区,并给出对应区内的岩石失效形式;之后通过观测分析异形齿破岩特征,揭示斧形齿破岩过程分为3个阶段、V形齿破岩区域附近可产生应力集中且齿面边界与岩石接触弧长更短、奔驰齿破岩过程与斧形齿相似等破岩机理。最后,通过对比4种PDC齿破岩切削力,验证破岩过程分析及所揭示破岩机理的正确性。试验结果表明,4种PDC齿中斧形齿切向力最小,V形齿次之,奔驰齿和平面圆形齿最大,与观测结论一致。通过优化PDC齿形状产生应力集中、分解岩屑破碎过程并减小摩擦,可有效降低破岩切削力,这为后续齿形的优化设计提供了理论依据。 展开更多
关键词 PDC齿 异形齿 单齿破岩 高速摄像 切削力
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极完整特硬岩爆破预裂-滚刀联合破岩技术
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作者 胡俊伟 《隧道建设(中英文)》 北大核心 2026年第2期394-405,共12页
为解决TBM在极完整特硬岩地层中综合掘进效率低的问题,依托北山地下实验室项目,提出将TBM与爆破技术相结合进行施工的联合破岩技术,即通过爆破在掌子面前方岩体预先制造裂隙以降低岩体的完整性和整体强度,再利用TBM掘进。首先,进行数值... 为解决TBM在极完整特硬岩地层中综合掘进效率低的问题,依托北山地下实验室项目,提出将TBM与爆破技术相结合进行施工的联合破岩技术,即通过爆破在掌子面前方岩体预先制造裂隙以降低岩体的完整性和整体强度,再利用TBM掘进。首先,进行数值分析,通过单孔、5孔和11孔模型探讨钻孔装药长度、钻孔间距和布置方式对爆破效果的影响。在此基础上,优化装药长度、钻孔间距、装药结构等爆破参数,开展侧向洞壁爆破试验,为掌子面爆破预裂-滚刀联合破岩试验选取合适的爆破参数:单炮孔装药1卷(200 g),分3段间隔装药,设置空孔,同时起爆,防止岩体过度破坏的同时又能起到预裂的作用。最后,通过掌子面爆破预裂-滚刀联合破岩试验,验证爆破参数的合理性及爆破预裂-滚刀联合破岩技术的可行性,得出在装药段TBM掘进均速提高65.9%、非装药段TBM掘进均速提高29.9%,整个爆破循环段TBM掘进均速提高42.3%。结合“北山1号”TBM的刀盘布置,提出由刀盘预留孔+3台搭载式超前钻机组成的掌子面造孔系统,并提出依托北山地下实验室的试验设计和应用计划。 展开更多
关键词 TBM隧道 极完整特硬岩 辅助破岩 爆破预裂 数值模拟 掘进试验 掘进效率
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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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TBM盘形滚刀旋转破岩性能研究
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作者 陈声 牛帅 +2 位作者 庄军 潘仕能 邓岳保 《现代城市轨道交通》 2026年第3期30-36,共7页
地铁隧道施工过程中,全断面岩石掘进机(TBM)在穿越复杂地层时面临诸多挑战,其中盘形滚刀的磨损问题和破岩效率需重点关注。为优化盾构施工参数,以宁波地铁4号线延伸工程为背景,采用ABAQUS有限元分析软件建立双刃滚刀破岩三维数值模型,... 地铁隧道施工过程中,全断面岩石掘进机(TBM)在穿越复杂地层时面临诸多挑战,其中盘形滚刀的磨损问题和破岩效率需重点关注。为优化盾构施工参数,以宁波地铁4号线延伸工程为背景,采用ABAQUS有限元分析软件建立双刃滚刀破岩三维数值模型,系统研究不同刀间距和贯入度条件下滚刀旋转破岩的比能变化规律。结果表明:当刀间距设置为60 mm时,破岩比能较30 mm刀间距工况平均降低26.67%,可显著提高破岩效率,建议作为优选参数;贯入度对破岩效率的影响呈非线性特征,虽然增大贯入度可提升效率,但综合考虑刀盘磨损等因素,建议将贯入度控制在4~6 mm范围,以实现效率与设备耐久性的最佳平衡。相关研究可为其他城市地铁TBM施工参数优化提供参考和借鉴。 展开更多
关键词 地铁 滚刀 数值模拟 刀间距 破岩比能 贯入度
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硬岩地层盾构滚刀刀刃参数对破岩效率的影响
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作者 李政儒 《国防交通工程与技术》 2026年第2期87-91,59,共6页
为了探究硬岩地层条件下盾构滚刀选型设计,基于深大城际铁路黄石区间工程,通过有限元软件模拟不同参数滚刀破岩过程,分别模拟分析不同刃角、刃宽和圆角设计参数对滚刀刀刃区域应力分布特征的影响。结果表明:滚刀参数中的刃角半径、刃宽... 为了探究硬岩地层条件下盾构滚刀选型设计,基于深大城际铁路黄石区间工程,通过有限元软件模拟不同参数滚刀破岩过程,分别模拟分析不同刃角、刃宽和圆角设计参数对滚刀刀刃区域应力分布特征的影响。结果表明:滚刀参数中的刃角半径、刃宽和圆角半径均会对破岩效率造成影响。滚刀刃角半径和圆角半径增大减小都会降低滚刀的破岩效率,存在最优的滚刀刃角参数。平刃适中宽度的滚刀破岩效率最高,刃宽过小会导致刀刃应力过大,增加滚刀损坏风险;刃宽过大会造成破岩力不足,降低破岩效率。研究结果可为类似工程的盾构滚刀设计提供技术参考。 展开更多
关键词 盾构滚刀 刀刃参数 数值模拟 破岩效率
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碟盘刀具倾斜姿态复合轴向振动破岩特性试验研究
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作者 刘春生 程硕 +2 位作者 刘延婷 刘若涵 徐鹏 《振动与冲击》 北大核心 2026年第1期138-149,共12页
针对现有采掘机械截割硬岩效率低、破碎效果差,为探寻高效、低能耗破碎硬岩技术,探究在不同截割姿态下碟盘刀具复合轴向振动截割方法的破岩特性。研制了可改变碟盘刀具截割姿态的振动截割试验台,进行了刀具截割姿态倾角为变量的振动截... 针对现有采掘机械截割硬岩效率低、破碎效果差,为探寻高效、低能耗破碎硬岩技术,探究在不同截割姿态下碟盘刀具复合轴向振动截割方法的破岩特性。研制了可改变碟盘刀具截割姿态的振动截割试验台,进行了刀具截割姿态倾角为变量的振动截割煤岩试验,基于试验获得了刀具截割载荷谱与轴向振动幅值,采用经验模态分解对载荷谱进行分解,获取载荷谱各分量及其频率、相关系数和能量占比等特征信息;运用ABAQUS有限元软件模拟碟盘刀具振动截割煤岩过程,获取了煤岩崩落破坏时应力云分布特征规律。结果表明:碟盘刀具倾斜姿态振动截割煤岩有利于煤岩产生大块片状崩落破坏;综合载荷谱分量特征信息分析可得,刀具破岩效果最优、载荷最小时姿态倾角约为5°~10°,且刀具楔面角度增大,姿态倾角应适当减小;刀具轴向向上振动时,刀具楔面对煤岩产生挤压作用,煤岩沿截割方向依次受压-拉-压应力,近刀具楔面处煤岩为拉破坏,同时由齿刃向煤岩自由面以剪破坏产生断裂面,形成大块片状崩落煤岩;姿态倾角过小和过大时,刀具楔面煤岩挤压作用范围较小,煤岩大块片状崩落破坏概率较低;试验煤壁崩落破坏产生的圆弧形痕迹分布规律与截割载荷谱本征模态函数分量、数值模拟应力云图所得刀具振动破岩特征规律具有一致性。 展开更多
关键词 轴向振动 碟盘刀具 截割姿态 经验模态分解(EMD) 破岩特性
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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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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 被引量:4
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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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TBM不均匀磨损盘形滚刀破岩力研究 被引量:1
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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常截面盘形滚刀破岩过程受力研究 被引量:1
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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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TBM盘形滚刀接岩域应力分布规律
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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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弱胶结砂质泥岩破岩类材料优化制备及其贯入特性 被引量:1
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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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吉木萨尔页岩地层PDC钻头破岩模拟及优选
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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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