反井钻机镶齿滚刀破岩机理及扩孔钻进参数研究
发布时间：2022-01-05 22:14
反井钻井是井工矿物开采和地下工程重要施工方法,用于暗斜井、暗立井以及其他具有下部巷道的井筒工程,实现了煤炭、金属、非金属矿物开采,水利发电和抽水蓄能电站建设,公路、铁路隧道工程中一些井筒的非爆破机械破岩钻进。工作人员不再需要下井作业,保障了施工人员的安全。从上个世纪八十年代开始至今,我国在反井钻机、钻具破岩刀具方面研究取得长足的发展,但对滚刀破岩机理和钻井工艺参数等影响钻进效率的重要技术问题,还是多停留在实际生产经验总结,缺乏理论、实验室和现场深入研究和总结。本论文在破岩机理理论分析和数值模拟基础上,以山东沂蒙抽水蓄能电站为背景进行现场实验实测,采用动态测试分析系统对反井钻机钻进参数钻压、转速、扭矩和钻速等参数进行测试,得到了钻速与钻压、钻速与转速、扭矩与转速之间的相互关系,对反井钻机设计和反井钻井工程参数选择有一定指导价值。本论文主要开展了以下内容的研究:一、以北京中煤研制的镶齿滚刀为基础,通过分析反井钻机镶齿滚刀的运动状态,得到了滚刀的运动轨迹为圆柱螺旋线,得到了滚刀的运动距离和转速、钻速之间的关系。分析了刀齿的受力情况,依据能量守恒原理,得出了反井钻机扩孔状态下总钻压、总扭矩、转...
【文章来源】：煤炭科学研究总院北京市
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
等效滚刀的破岩轨迹示意图
2镶齿滚刀破岩理论研究12a)竖井井筒b)滚刀运动轨迹c)滚刀运动轨迹线展开式图2.3井筒及滚刀运动轨迹Fig.2.3Wellboreandhobmovementtrack将滚刀的运动轨迹线按平面展开，滚刀的运动距离为s，钻进高度（进尺）为h，s在水平方向上的投影为，为升角，滚刀运动轨迹展开线如图1c所示。则l、h、s满足下列关系：{=2·=·s=√(2)2+()2·=·sin(2-2)镶齿滚刀破岩过程中，刀齿与岩石相互接触，钻机通过钻杆传递给滚刀一定的钻压、转速和扭矩，从而冲击、挤压、刮削岩石，最终使岩石破碎，形成井筒。2.2.2镶齿滚刀破岩受力分析钻头的旋转带动刀座的转动，使压入岩石的滚刀发生滚动。镶齿滚刀破岩时的受力主要来源于钻头、刀座和岩石，其互为作用力与反作用力，符合大小相等、方向相反的基本原则，可以分解到垂直于岩石表面和平行于岩石表面2个方向，如图2.4所示。图2.4镶齿滚刀受力示意图Fig.2.4SchematicdiagramoftheforceofthecobhobhlsPTT"P"
2镶齿滚刀破岩理论研究14（6）卸载阶段荷载去掉以后，岩石内储存的变形能和应变能逐步释放，岩石内部由受压状态变为受拉状态，形成环状裂纹。密实核的一小部分能量转化为表面能，剩余大部分转换成动能，并将破碎岩渣抛出，形成破碎凹坑，完成破碎过程。a)密实核出现阶段；b)密实核储能阶段；c)径向裂纹和崩裂阶段图2.5滚压破岩示意图Fig.2.5Schematicdiagramofrollingrockbreaking从镶齿滚刀滚压破岩的各个阶段可以看出，滚刀刀齿的侵入深度存在局部卸载过程，而不是随着载荷的增加而不断增加。当密实核周围的岩石破碎时，荷载将暂时减小；随着刀齿继续压入岩石时，荷载将再次增加，刀齿到岩石的滚动和破碎过程可能包括上述几个“加载-局部卸载”循环，并在达到最大侵入深度后最终停止加载，此过程称为刀齿对岩石的跃进式侵入。赫兹裂纹是跃进式侵入的首要原因。赫兹裂纹产生的条件是拉伸应力下的局部脆性破坏。因此，对于脆性岩石，滚压破岩时跃进式侵入效应比较明显。[77]以单排齿滚刀为研究对象，镶齿滚刀破岩过程中主要会出现三种情况：单齿接触、双齿接触和多齿接触（岩石很软，并且齿间距很小），如图2.6所示。a)单齿接触b)双齿接触c)多齿接触图2.6刀齿与岩石的接触类型Fig.2.6TypeofcontactbetweenthecutterandtherockPPPP1P1P2P1P2P3TTTT1T1T2T1TT32
【参考文献】：
期刊论文
[1]反井钻机扩孔速度影响因素分析[J]. 邓建明,刘志强,孙建荣,郝熠熠. 煤炭工程. 2019(12)
[2]岩石材料动载下泛形裂纹扩展数值模拟[J]. 李竟艳,高文学,宋肖龙. 振动与冲击. 2018(22)
[3]基于裂纹扩展模型的脆性岩石破裂特征及力学性能研究[J]. 李响,怀震,李夕兵,张倬瑶. 黄金科学技术. 2019(01)
[4]镶齿滚刀破岩机理及效率的旋转破岩试验[J]. 吴帆,殷丽君,张浩,龚秋明. 中国公路学报. 2018(10)
[5]矿井建设技术发展概况及展望[J]. 刘志强. 煤炭工程. 2018(06)
[6]竖井掘进机钻井工艺及装备研究[J]. 荆国业,刘志强,韩博. 中国煤炭. 2018(05)
[7]复合地层盘形双滚刀的破岩过程分析[J]. 刘先珊,周双勇,许明,刘先荣,秦鹏伟. 应用基础与工程科学学报. 2018(02)
[8]TBM滚刀作用下岩石破坏过程数值模拟[J]. 张忠成,付佳星,李守巨. 黑龙江科学. 2018(01)
[9]镶齿滚刀破碎岩渣粒径分布规律研究[J]. 方诗圣,曾志远,孟益平,刘志强,谭昊,韩博. 建井技术. 2017(05)
[10]矿山反井钻进技术与装备的发展现状及展望[J]. 刘志强. 煤炭科学技术. 2017(08)
博士论文
[1]大直径反井钻机关键技术研究[D]. 刘志强.北京科技大学 2015
[2]TBM盘形滚刀破碎岩石机理及影响破岩力因素的研究[D]. 王召迁.东北大学 2014
[3]复合地层中盾构机滚刀破岩力学分析[D]. 吴起星.暨南大学 2011
硕士论文
[1]扩孔钻进工况下反井钻机钻具的纵向振动研究[D]. 高峰.煤炭科学研究总院 2018
[2]盘形滚刀在软硬地层界面处的破岩力试验研究[D]. 钟振力.暨南大学 2018
[3]镶齿滚刀正压力与滚动力预测模型研究[D]. 曾志远.合肥工业大学 2018
[4]华山花岗岩HJC本构参数标定及爆破损伤数值模拟[D]. 毕程程.合肥工业大学 2018
[5]复合岩层中TBM滚刀破岩效率的数值模拟研究[D]. 刘予会.河南大学 2017
[6]不同齿形的镶齿滚刀破岩效果模拟仿真[D]. 汪莹莹.合肥工业大学 2017
[7]刀具破岩机理试验装置设计与仿真研究[D]. 赵昌盛.西南交通大学 2016
[8]复合地层TBM破岩过程滚刀磨损机理及掘进效率研究[D]. 王贺.重庆大学 2016
[9]复合地层下TBM掘进的可掘性评价[D]. 相浩.重庆大学 2016
[10]基于刀盘载荷模型的刀盘性能评价研究[D]. 任家宝.天津大学 2014
本文编号：3571171
【文章来源】：煤炭科学研究总院北京市
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
等效滚刀的破岩轨迹示意图
2镶齿滚刀破岩理论研究12a)竖井井筒b)滚刀运动轨迹c)滚刀运动轨迹线展开式图2.3井筒及滚刀运动轨迹Fig.2.3Wellboreandhobmovementtrack将滚刀的运动轨迹线按平面展开，滚刀的运动距离为s，钻进高度（进尺）为h，s在水平方向上的投影为，为升角，滚刀运动轨迹展开线如图1c所示。则l、h、s满足下列关系：{=2·=·s=√(2)2+()2·=·sin(2-2)镶齿滚刀破岩过程中，刀齿与岩石相互接触，钻机通过钻杆传递给滚刀一定的钻压、转速和扭矩，从而冲击、挤压、刮削岩石，最终使岩石破碎，形成井筒。2.2.2镶齿滚刀破岩受力分析钻头的旋转带动刀座的转动，使压入岩石的滚刀发生滚动。镶齿滚刀破岩时的受力主要来源于钻头、刀座和岩石，其互为作用力与反作用力，符合大小相等、方向相反的基本原则，可以分解到垂直于岩石表面和平行于岩石表面2个方向，如图2.4所示。图2.4镶齿滚刀受力示意图Fig.2.4SchematicdiagramoftheforceofthecobhobhlsPTT"P"
2镶齿滚刀破岩理论研究14（6）卸载阶段荷载去掉以后，岩石内储存的变形能和应变能逐步释放，岩石内部由受压状态变为受拉状态，形成环状裂纹。密实核的一小部分能量转化为表面能，剩余大部分转换成动能，并将破碎岩渣抛出，形成破碎凹坑，完成破碎过程。a)密实核出现阶段；b)密实核储能阶段；c)径向裂纹和崩裂阶段图2.5滚压破岩示意图Fig.2.5Schematicdiagramofrollingrockbreaking从镶齿滚刀滚压破岩的各个阶段可以看出，滚刀刀齿的侵入深度存在局部卸载过程，而不是随着载荷的增加而不断增加。当密实核周围的岩石破碎时，荷载将暂时减小；随着刀齿继续压入岩石时，荷载将再次增加，刀齿到岩石的滚动和破碎过程可能包括上述几个“加载-局部卸载”循环，并在达到最大侵入深度后最终停止加载，此过程称为刀齿对岩石的跃进式侵入。赫兹裂纹是跃进式侵入的首要原因。赫兹裂纹产生的条件是拉伸应力下的局部脆性破坏。因此，对于脆性岩石，滚压破岩时跃进式侵入效应比较明显。[77]以单排齿滚刀为研究对象，镶齿滚刀破岩过程中主要会出现三种情况：单齿接触、双齿接触和多齿接触（岩石很软，并且齿间距很小），如图2.6所示。a)单齿接触b)双齿接触c)多齿接触图2.6刀齿与岩石的接触类型Fig.2.6TypeofcontactbetweenthecutterandtherockPPPP1P1P2P1P2P3TTTT1T1T2T1TT32
【参考文献】：
期刊论文
[1]反井钻机扩孔速度影响因素分析[J]. 邓建明,刘志强,孙建荣,郝熠熠. 煤炭工程. 2019(12)
[2]岩石材料动载下泛形裂纹扩展数值模拟[J]. 李竟艳,高文学,宋肖龙. 振动与冲击. 2018(22)
[3]基于裂纹扩展模型的脆性岩石破裂特征及力学性能研究[J]. 李响,怀震,李夕兵,张倬瑶. 黄金科学技术. 2019(01)
[4]镶齿滚刀破岩机理及效率的旋转破岩试验[J]. 吴帆,殷丽君,张浩,龚秋明. 中国公路学报. 2018(10)
[5]矿井建设技术发展概况及展望[J]. 刘志强. 煤炭工程. 2018(06)
[6]竖井掘进机钻井工艺及装备研究[J]. 荆国业,刘志强,韩博. 中国煤炭. 2018(05)
[7]复合地层盘形双滚刀的破岩过程分析[J]. 刘先珊,周双勇,许明,刘先荣,秦鹏伟. 应用基础与工程科学学报. 2018(02)
[8]TBM滚刀作用下岩石破坏过程数值模拟[J]. 张忠成,付佳星,李守巨. 黑龙江科学. 2018(01)
[9]镶齿滚刀破碎岩渣粒径分布规律研究[J]. 方诗圣,曾志远,孟益平,刘志强,谭昊,韩博. 建井技术. 2017(05)
[10]矿山反井钻进技术与装备的发展现状及展望[J]. 刘志强. 煤炭科学技术. 2017(08)
博士论文
[1]大直径反井钻机关键技术研究[D]. 刘志强.北京科技大学 2015
[2]TBM盘形滚刀破碎岩石机理及影响破岩力因素的研究[D]. 王召迁.东北大学 2014
[3]复合地层中盾构机滚刀破岩力学分析[D]. 吴起星.暨南大学 2011
硕士论文
[1]扩孔钻进工况下反井钻机钻具的纵向振动研究[D]. 高峰.煤炭科学研究总院 2018
[2]盘形滚刀在软硬地层界面处的破岩力试验研究[D]. 钟振力.暨南大学 2018
[3]镶齿滚刀正压力与滚动力预测模型研究[D]. 曾志远.合肥工业大学 2018
[4]华山花岗岩HJC本构参数标定及爆破损伤数值模拟[D]. 毕程程.合肥工业大学 2018
[5]复合岩层中TBM滚刀破岩效率的数值模拟研究[D]. 刘予会.河南大学 2017
[6]不同齿形的镶齿滚刀破岩效果模拟仿真[D]. 汪莹莹.合肥工业大学 2017
[7]刀具破岩机理试验装置设计与仿真研究[D]. 赵昌盛.西南交通大学 2016
[8]复合地层TBM破岩过程滚刀磨损机理及掘进效率研究[D]. 王贺.重庆大学 2016
[9]复合地层下TBM掘进的可掘性评价[D]. 相浩.重庆大学 2016
[10]基于刀盘载荷模型的刀盘性能评价研究[D]. 任家宝.天津大学 2014
本文编号：3571171
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