冲击旋转破岩过程分析_张洪勇

循环冲击载荷作用下岩石的力学特性分析苏帅(安徽理工大学，安徽淮南232001)摘要：随着工程规模的不断扩大，深部岩体工程项目越来 越多，深 的开挖以爆破法为主。

破开挖过程中，多一定静载条件下 载作用。

相关学者以VHPB系统为 ，以砂岩等作为 研究对象，利用动静加载组合加载装置，开展常规冲击试验和循环试验，总结砂 载 用下的 学特性与破坏特征，分析岩石 载荷下的损伤演化 。

关键词：深 &载;应力；应中图分类号:TU452 文献标志码:B文章编号：1672 -4011 (2017)12 - 0094 - 02DOI:10. 3969/j.issn. 1672 - 4011. 2017. 12. 0459前言，随着的发展与科技的，各类大型岩体工程的规大，条件。

比如各种大型铁路和大型公路建设、大型核电站工程、大型地下深埋硐室矿山开采等。

在 矿山开采等工程中，爆因为具有高效、、捷的特点而被使用。

爆破开 体时，破碎石开挖目的的，炸生的能量会以冲的形式周围的岩体之中，会周围的岩体产生一定的与 ，对工程的、稳定产生不利。

而且，在 的矿山开挖等体开工程中，一会采用多次行开挖，体在承受一定的 下，还会多次循环的。

石作为一种多的脆性材料，本身应力等静的作用，环冲的作用，对其内的扩展和贯生一系列。

所，在 工程中，岩体环冲作用下，其强度和变形特性体的内部，体在冲和 共下的结果。

此，国内外学者做了大量的相关试验，取较为丰富的果。

中大学李夕兵等采用脆性断裂准则，分析不应力波的形状、应变率、能 等 的关系，并研究了相应的岩石破碎效果;单仁亮等研究了不石的动力特性和 式;金放石在循环作用下的应力应变关系做了相关研究。

研究成果国的工程实践起到了的作用。

1试验装置与试件的准备体的循环试验使用的是霍布金森压杆装置(SHPB)。

VHPB装置主要由冲头、入射杆、透射杆组成，冲头由高压气冲出，具有一定的能量，在入射杆生压缩冲，脉冲的由冲头的速度控制。

旋转射流破岩钻孔机理研究摘要：本文研究了旋转射流破岩钻孔机理，通过实验观察和数值模拟等方法，分析了旋转射流对岩石的冲击破碎机理和钻孔效率的影响因素。

结果表明，旋转射流破岩钻孔技术具有高效、环保等优点，有望在岩石破碎和钻孔工程中得到广泛应用。

引言：随着科技的发展和人类对自然资源的不断需求，岩石破碎和钻孔工程在矿业、土木工程、水力发电等领域变得越来越重要。

传统的岩石破碎和钻孔方法主要采用凿岩机、爆破等方式，但这些方法存在着效率低下、环境污染等问题。

因此，研究一种高效、环保的岩石破碎和钻孔方法成为了迫切的需求。

旋转射流破岩钻孔技术作为一种新型的钻孔技术，具有高效、环保、低成本等优点，在岩石破碎和钻孔工程中具有广泛的应用前景。

研究现状：旋转射流破岩钻孔技术起源于20世纪90年代，经过多年的研究和发展，已经在许多领域得到了应用。

在国内，中国矿业大学、中南大学等高校和研究机构对该技术进行了深入研究，取得了一系列重要成果。

在国际上，美国、澳大利亚等国家也对旋转射流破岩钻孔技术进行了研究，并成功应用于实际工程中。

研究方法：本文采用了理论分析、实验研究、数值模拟等多种方法进行研究。

通过理论分析，对旋转射流破岩钻孔机理进行探讨，建立物理模型；通过实验研究，对旋转射流破岩钻孔效果进行观察和分析；通过数值模拟，对旋转射流破岩钻孔过程进行模拟和优化。

实验结果与分析：通过实验观察和数据分析，本文得出以下旋转射流对岩石的冲击破碎效果较好，能够有效破碎坚硬岩石。

旋转射流破岩钻孔速度与射流功率、岩石硬度等因素有关，通过调节射流参数可以提高钻孔效率。

旋转射流破岩钻孔过程中，射流的冲击力、切削力、磨削力等是影响钻孔效果的主要因素。

结论与展望：本文通过对旋转射流破岩钻孔机理的研究，得出旋转射流破岩钻孔技术具有高效、环保等优点。

通过实验观察和数值模拟等方法，分析了旋转射流对岩石的冲击破碎机理和钻孔效率的影响因素。

然而，本文的研究还存在一些不足之处，例如实验设备和条件有限，未能对不同类型岩石进行深入研究等。

冲击旋转钻井技术在煤层气勘探开发中的应用丁小蕾（石工研-3班 s1*******）摘要：随着国家对煤层气行业的重视，煤层气的勘探开发正以前所未有的速度发展，然而以往二十余年的实践告诉我们，煤层气的勘探开发结果并不理想。

究其原因，除客观地质因素外，在很大程度上也是由于钻井效率低、成本高所致。

因此，一种比常规旋转钻井效率更高、成本更低的钻井技术—冲击旋转钻井在煤层气勘探开发中被应用。

冲击旋转钻井破岩原理是在钻头冲击刃与岩石的接触面上施加静压力的同时，给以脉动冲击负荷对岩石作功，从而提高岩石破碎效率。

本文将介绍冲击旋转钻井技术的概念、钻井工具、与旋转钻井相比它的优点以及在煤层气中的应用。

关键词：冲击旋转钻井冲击器1．冲击旋转钻井的概念近年来，冲击旋转钻井技术已逐渐应用于钻井工程，利用这一技术可以解决坚硬岩层段、软硬交错地层段钻速低、大斜度地层段井眼易斜等实际问题，以提高钻井的综合效益。

在煤层气钻井中主要解决煤层顶板、底板钻进效率低的问题。

旋冲钻井技术就是在常规旋转钻井工艺中,在不增加其它地面设备的情况下,在钻头的上面和钻铤的下面安装与钻铤直径大致相当的冲击器,并且在钻进过程中,跟随上部钻柱转动的冲击器带动钻头旋转的同时,利用上部钻井液的流动能量使冲击器本身产生周期的向下作用在钻头上的冲击力,从而加速破碎岩石。

2. 冲击旋转钻井破岩机理冲击旋转钻井就是在普通旋转钻井的基础上,再加上一个冲击器。

冲击器是一种井底动力机械,一般是连接到井底钻头或岩芯管的上端,依靠钻井液的能量推动其活塞冲锤上下运动,撞击钻头。

钻头在冲击动载和静压旋转的联合作用下破碎岩石。

冲击力不同于静压力,它是一种加载速度极大的动载荷,作用力在极短的时间内变化幅度很大。

由图1知,冲击力在几微秒内由零上升至几十千牛,再经几百微秒又重新下降至零。

图1：冲击力随时间的变化关系实践证明,外载作用的速度对岩石力学性质有较大的影响,特别是其对岩石的弹性及塑性的影响。

高频振动钻具冲击下岩石响应机理及破岩试验分析李玮;闫铁;张志超;李连群【摘要】为了研究深井、超深井硬地层中高频振动冲击钻井的破岩机理及破岩效果,基于机械振动原理,建立了高频振动激励下有限深度范围内岩石稳态振动响应的幅频特性模型,分析了井底岩石的响应特点.通过PDC钻头的旋转、高频振动冲击的联合破岩试验,分析了转速、频率等参数对振动冲击钻井机械钻速的影响.结果表明:随着振动冲击激励频率增大,机械钻速逐渐增大;振动冲击激励频率为1 400～1 500 Hz时,机械钻速达到最大,与无振动冲击激励相比增幅为93.5％～106.3％.理论研究和试验结果都证明,高频振动冲击能够降低岩石抗钻能力,提高破岩效率.【期刊名称】《石油钻探技术》【年(卷),期】2013(041)006【总页数】4页(P25-28)【关键词】振动;冲击钻井;频率;破岩机理;机械钻速;实验室试验【作者】李玮;闫铁;张志超;李连群【作者单位】东北石油大学石油工程学院,黑龙江大庆163318;东北石油大学石油工程学院,黑龙江大庆163318;中国石油新疆油田公司采油二厂,新疆克拉玛依834000;中国石油新疆油田公司风城油田,新疆克拉玛依834000【正文语种】中文【中图分类】TE21在深井、超深井钻井中，当钻遇硬地层时，高效破岩技术十分重要，因为破岩效率的高低直接决定着钻进速度和钻井安全，更影响着钻井工程的经济效益[1-5］。

高频振动冲击钻井是当前深井钻进硬地层应用较多且效果显著的一种高效破岩技术。

当前，高频振动冲击主要有扭转冲击和轴向冲击2种。

Christophe Germay、祝效华、孙起昱和张克勤等人[6-9］深入研究分析了PDC钻头的黏滑效应、扭转冲击器破岩机理和现场应用情况。

Aron Deen、李根生、杨威和倪红坚等人[10-13］系统研究了高频轴向振动冲击器的工作原理、破岩效果和频幅特征等。

笔者基于机械振动原理[14］，建立了岩石稳态振动响应计算模型，根据旋转剪切和高频振动冲击的破岩试验结果，分析了机械参数和振动参数对破岩效果的影响。

论文范文：刀具冲击破岩过程的数值模拟探索1绪论1.1引言近年来,随着社会发展的需求和科学技术水平的不断提高,地下活动空间及各类资源开发和利用已然成为人类重点关注的领域之一。

随着各类挖掘机广泛应用于矿山开采、隧道开挖、油气井钻进等实际工程中,对岩石破碎理论和技术提出了新的挑战。

冲击破岩作为机械破岩法中的一种,具有破碎的岩块较大,作业效率较高等优点,被广泛应用于建筑工程、露天采矿和穿凿作业等方面。

自上世纪60年代以来,英国、南非、美国等对冲击破碎进行了大量可行性研究,并应用于矿山开采当中。

随着冲击式破岩被人们广泛的应用于各类破碎工程之中。

破岩机械多釆用凿岩机、潜孔钻机和钢丝绳冲击钻机等(图1.1)。

长期以来,人们对冲击破岩的机理和破岩效率进行大量的研究,为提高冲击式破岩效率,我国在围绕冲击式机械与岩石匹配、冲击加载合理波形以及冲击活塞优化等方面做出了许多有益的探索。

对于冲击破岩的机理研究,既涉及岩石材料非均匀性、非线性特征,又受制于岩石材料本身的外貌形状和尺度边界因素,既受材料内的部裂隙和结构面影响,又与冲击波传播过程中局部变形即损伤破坏相关。

由于实际条件的限制,通过大量的大尺度现场实验来研究破岩机理还存在很多困难。

实验室内小尺寸的破岩实验也不能全面的反映岩体内部缺陷对破岩效果的影响。

如今,随着计算机硬件水平的不断提升,以及各类数值模拟方法和软件的不断完善,通过数值模拟研究岩石破碎成为可能。

数值模拟可以充分考虑岩石非均勾的特性以及复杂的受力条件,具有实验室物理实验和现场实验不可比拟的优势,同时也是物理试验和理论分析的有效延伸。

本文运用rfpa2°动态版数值计算分析软件,考虑岩石材料的非均勾性和缺陷分布的随机性,模拟冲击荷载作用下,岩石的损伤破裂过程。

进一步探讨了节理存在以及动静联合加载下的岩石破坏形态,期望对冲击破岩机理以及矿山开采、險道开挖等实际工程应用有所帮助。

1.2岩石破碎研究现状随着科学技术水平的不断发展,在采矿、油气开发、地质勘探等行业的不懈努力下,破岩方法己从传统的机械钻孔法和常规爆破法发展到现在的超声波法、水射流法、射弹冲击法、水电效应法、火花放电法、等离子体法、电子束法(聚焦电子束、脉冲电子束、高能加速器)、激光法、红外线法、热溶法(电能、核能)、高频法、电热核法、微波法及化学破碎法等[5]。

旋转冲击破岩实验装置的设计与应用玄令超;管志川;呼怀刚;李敬皎【摘要】旋转冲击钻井技术是深井、超深井钻井常用的提速措施之一。

实践表明，钻压、钻头转速、冲击力与冲击频率是影响旋冲钻井破岩效率的关键参数，优选旋冲钻井参数有助于提高冲击器的破岩提速效果。

设计了一种新型旋转冲击破岩实验装置，利用齿形振套的碰撞产生冲击载荷，用地质钻机带动钻头破岩。

测量实验表明该装置冲击载荷受弹簧压缩量影响，冲击频率为冲击振套齿数与钻机转速的乘积，冲击过程稳定高效，冲击参数与现场多种旋冲钻井工况有较好的对应。

旋冲破岩实验表明旋冲钻井技术可以显著提高钻头破岩速率；提高冲击载荷幅值，能够提高钻头破岩速率。

旋冲钻井技术存在最适宜钻压，使用不同类型冲击器钻进不同地层时需要对钻压进行优选。

利用该实验装置研究旋冲钻井参数对破岩速率的影响规律，有助于旋冲工具性能参数的设计和优选。

%Rotary percussion drilling technology is one of the ways to increase drilling rate in deep wells and super-deep wells. Practice shows that bit pressure, bit speed, impact force and frequency are the critical parameters which affect the rock breaking efifciency of rotary percussion drilling. Optimization of rotary percussion drilling parameter can help improve rock breaking efifciency of percusson impactor.A new type of rotary percussion rock-breaking experimental apparatus was designed, which uses the impact of tooth-like vibrating sleeve to produce impact load and drive the bit to break rocks using geological drilling rig. Measuring experiment shows that the impact loadof this apparatus is affected by the amount of spring compression, the impact frequecy is the product of the number of sleeve teeth and rigrotating speed, the percussion process is stable and effective and that the percussion parameters correspond well with various rotary percussion drilling conditions on site. Rotary percussion rock-breakig experiment shows that the rotary percussion drilling technology can remarkaly increase the rock-breaking rate, improve the amplitude of impact load and increase the rock-breaking rate of the bit. There is a optimum bit pressure for rotary percussion drilling technology, so bit pressure should be optimized when different types of inpactors are used to drill different formations. Studying the effect law of rotary percussion drilling parameters on rock breaking rate using this experimental apparatus helps design and optimize the performance parameters of rotary percussion tools.【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2016(038)001【总页数】5页(P48-52)【关键词】旋转冲击钻井;破岩实验;实验装置;齿形振套;冲击载荷;等效性分析【作者】玄令超;管志川;呼怀刚;李敬皎【作者单位】中国石油大学华东石油工程学院;中国石油大学华东石油工程学院;中国石油大学华东石油工程学院;中国石油大学华东石油工程学院【正文语种】中文【中图分类】TE24旋转冲击钻井在常规钻进的基础上叠加冲击动载，提高了钻头破岩效率，是深井、超深井钻井常用的提速措施之一［1-3］。

PDC 钻头扭转冲击破岩机理及试验分析李思琪;闫铁;李玮;毕福庆【摘要】扭转冲击载荷作用可以解决由于黏滑振动引起的 PDC 钻头过早失效问题,大大提高机械钻速。

建立扭转冲击载荷作用下的 PDC 钻头单刀翼、多刀翼与岩石相互作用模型,并通过室内试验进行了扭转冲击载荷与静压载荷作用下的钻进对比试验,对 PDC 钻头扭转冲击破岩机理进行研究。

红砂岩试验结果表明：在扭转冲击作用下,钻进相同深度红砂岩,可节约钻进时间36.6%；有扭转冲击作用的 PDC 钻头钻速均高于同等条件下静压载荷下 PDC 钻头的钻速,平均增长幅度为116.8%。

黄砂岩试验结果表明：在扭转冲击作用下,PDC 钻头钻速最高达到静压载荷条件下的152.3%；钻头直径为75mm 的PDC 钻头的最佳比钻压为0.16~0.24kN/mm。

PDC 钻头扭转冲击破岩机理的研究为 PDC 钻头的高效破岩奠定了理论基础。

【期刊名称】《长江大学学报（自然版）理工卷》【年(卷),期】2015(012)002【总页数】5页(P48-51,65)【关键词】扭转冲击;PDC 钻头;黏滑;破岩机理;机械钻速【作者】李思琪;闫铁;李玮;毕福庆【作者单位】东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318;东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318;东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318;中石油大庆油田分公司第五采油厂试验大队，黑龙江大庆 163513【正文语种】中文【中图分类】TE21PDC钻头作为主要的破岩工具之一，近几年随着深部地层勘探开发比例的增加，其应用比例也随之增加［1，2］。

但由于PDC钻头破岩时产生黏滑振动，引发PDC钻头过早失效，因此大大降低了机械钻速和使用寿命，这是PDC钻头亟需解决的问题之一［3］。

目前有关PDC钻头破岩机理的研究较多。

Chen Yinghua［4］通过试验研究了单个切削齿与岩石的相互作用。

Kaitkay等［5］用单个PDC片在不同静水压力下对岩石进行了切削试验，研究发现切削力会随着切削角度和静水压力的变化而变化。

０引言花岗岩是钨矿围岩中常见的一种岩石。

目前许多钨矿矿山为了延长矿山服务年限，急需加强矿山外围和深部勘探，这就需要进行大量的矿岩破碎工程。

冲击载荷作用下破碎岩石是目前运用较为广泛的一种破岩方法，但其破岩机理还有待进一步研究。

近年来，非线性科学中的分形理论、系统科学中的突变理论和数值模拟方法等现代科学理论开始渗入岩石破碎研究领域［１－５］，取得了一些成果。

但是，分形理论在岩石破碎中主要被用于研究破碎块度，无法建立破碎结果与破碎的物理机制之间的相互关系；突变理论主要研究系统参数发生微小变化后结构的稳定与否，它在岩石破碎领域的应用目前主要局限于地震与岩爆等由缓慢变形到突然破裂的现象，尚没有用于研究凿岩等由于冲击载荷产生的破坏现象；数值模拟方法是用来沟通理论模型和实验研究的桥梁，但岩石的本构模型准确性、客观性以及岩石性质参数和边界条件还需要加以研究。

因此冲击载荷破岩的数值模拟与试验研究相接合对丰富冲击破岩理论具有重要意义。

１冲击载荷破岩特点１．１岩石断裂形态如图１所示，压头侵入硬岩时一般产生径向、中间和侧向裂纹，同时在压头下方还会形成一个密实核，在钠玻璃上进行侵入试验表明，形成的密实核近似于半球形，其主要特征是发生了剪切变形［６］。

由此可看出侧向裂纹是从剪切变形区底部起裂的。

侧向裂纹一般在卸载过程产生并扩展，中间裂纹产生于加载过程，并在卸载过程有部分弹性恢复；径向裂纹既可产生于加载过程，又可出现在卸载期间，但不论何时产生都在卸载过程继续发展。

１．２冲击破岩特点岩石在冲击载荷作用下将引起应力波在岩石中的传播。

对应力波的描述包括频谱（即频率分布）、能量分布、波速、波长等，同时岩石中裂纹或缺陷也有尺寸分布或谱图，这样便能根据载荷作用特点与具体岩石对象确定微观与细观以及宏观尺度的划分标准，并找出分析重点，从而采用相应的方法来对其动态破坏过程进行研究。

典型的冲击载荷有机械冲击载荷与爆炸冲击载荷。

机械冲击是动能传播到一个系统，其发生传递的时间比该系统的自由振动周期要短。