气动潜孔锤球齿碎岩机理研究

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1、气动潜孔锤球齿碎岩机理研究气动潜孔锤球齿碎岩机理研究朱丽红,殷琨,黄勇(吉林大学建设工程学院,吉林长春130026)摘要:气动潜孔锤钻进技术作为一种高效钻进手段已普遍应用于各种工程孔钻进,为进一步促进该项技术的发展,深入研究潜孔锤球齿碎岩机理.是十分必要的.球齿碎岩过程是一个动态,非线性破坏过程.常规实验手段不能反映岩石内部应力变化和破坏过程.利用软件ANSYS,LS—DYNA对球齿冲击碎岩过程进行模拟仿真,并总结球齿碎岩机理,为设计潜孔锤钻头,优化钻进参数提供理论基础.由此机理指导设计的贯通式潜孔锤钻头在生产试验中取得良好的钻进效果.关键字:潜孔锤;球齿;

2、碎岩机理;ANSYSAS—DYNA中图分类号:TD421.2+5文献标识码:A气动潜孔锤钻进工艺,是利用压缩空气驱动潜孔冲击器活塞.以较大的冲击功和高频率冲击潜孔锤钻头,同时在由钻杆传来的轴向压力和回转扭矩作用下,钻头回转,使岩石破碎.所产生的岩屑被高压气流携带上返至地表.该工艺具有钻进效率高,钻孔质量好,钻头寿命长,孔内事故少,工程成本低的特点.目前,这种钻进技术作为一种高效钻进手段.愈来愈广泛地应用于矿山爆破孔,地质勘探孔,水文水井孔以及各种用途的钻孔,在钻进中硬岩层和硬岩层时,更为有效[1-2].气动潜孑L锤之所以有高的钻进效率,是因为潜孔锤在钻进过程

3、中,钻头球齿在高频冲击功的作用下高速冲击岩石,产生较大的体积破碎.球齿冲击碎岩是一个动态,非线性破坏过程,目前对球齿碎岩的研究主要是采用常规实验手段,只能反映冲击后的碎岩效果.而无法直观显示冲击过程中岩石内部应力场的分布和破坏过程.一DYNA是一个以显示为主.隐示为24辅的通用非线性动力分析有限元程序.可以求解各种二维,三维非线性结构的高速碰撞,爆炸和金属成形等非线性问题[31.本文基于ANSYS/LS—DYNA对在高频冲击功作用下球齿碎岩过程进行分析,深入了解岩石破碎过程.这将有助于潜孔锤钻头设计和钻进参数优化.1有限元模型(1)建立实体模型ANSYS有许

4、多前处理接口,可以从其他CAD软件(如AutoCAD,Pro/E,SolidWorks等)中导人模型.由于本模型比较简单,在ANSYS中就可快速建立模型,故采用ANSYS前处理建模.本文分析主要是研究球齿的碎岩机理.故取一球面圆柱体代替球齿,球面直径10mm;取一长方体代替岩体,规格200lnm~100mmxl00mm.(2)定义单元类型作者简介:朱丽红,女,吉林大学在读博士生,地质工程专业.凿岩机械气动工具,2009(3)球齿和岩体模型的单元类型都定义为三维8节点实体单元(SOLID164).(3)材料性质球齿材料模型设置为Rigid(冈0体),参数设置:

5、密度14~10kg/m,泊松比O-3,弹性模量2xlMPa:岩石材料模型设置为PlasticKinematic(塑性动力学模型),参数设置:密度2.5~103kg/m,弹性模量3.9xl04MPa,泊松比O.25,屈服强度50MPa,失效应变0.O6,其他参数为零.(4)网格划分球齿采用自由划分网格.生成四面体网格.共400个单元;岩石采用六面体单元网格.共31250个单元.(5)接触类型球齿与岩石的接触类型定义为点对面接(a)弹性区(c)岩石破碎凿岩机械气动工具,2009(3)触,算法为自动接触算法(Automatic),球齿面作为接触面.岩石上表面作为目

6、标面.(6)施加约束球齿垂直冲击岩石,对球齿施加,Z方向的位移约束和所有方向的转动约束,只允许沿l,轴移动:对岩体的四个侧面施加所有约束,将其固定.(7)施加荷载对球齿施加位移荷载来模拟球齿冲击岩石的过程,冲击时间为0.02s,球齿沿Y轴负向由坐标原点移动到一4mm处.再返回坐标原点.来模拟球齿的冲击回弹过程.2仿真结果分析利用ANSYS后处理器POST1动态显示球齿冲击岩石的过程,并截取如下图片:(b)高应力区(d)进一步侵人(e)挤压围岩(f)形成破碎穴图1球齿碎岩过程球齿碎岩过程:第一阶段:球齿与岩石接触瞬间载荷不:.岩石产生弹性变形,在球齿下方的岩石

7、中{现一个弹性区,大致成半球状(图1a).第二阶段:球齿继续下移,载荷增大,弹E区增大.应力波以球齿与岩石的接触点为R心,以同心球形状不断向岩石内部传播.同t,在球齿与岩石接触的正下方出现一个高力区(图lb).当应力区达到极限状态时,石破碎(图1c).第三阶段:球齿进一步侵入岩石,对周围石产生侧压力并逐渐增大,最终将球齿周围岩石崩离.产生大体积破碎,形成破碎穴图1f).由仿真结果可知,球齿冲击碎岩包括压翠和剪崩两部分,其中以剪崩碎岩为主,冲击亏形成约为球齿直径2倍的破碎区域,球齿响深度约为压人深度的一倍.;应用根据球齿的碎岩机理和碎岩效果,对贯臣式反循环潜孔

8、锤钻头唇面进行设计,如图所示.该钻头采用9颗球齿,底