基于钻杆推力法及钻杆扭矩法预测冲击地压试验研究

建立了钻杆力学模型,得出钻杆推力、扭矩与煤体应力之间的关系。分析表明:钻屑过程中,煤体应力增大时,钻杆扭矩增大,钻杆推力减小;煤体强度增大时,钻杆扭矩增加,钻杆推力增大。利用新型钻削设备及推力、扭矩测试装置模拟井下条件进行试验,得到了不同轴压、围压下钻杆推力平均值、扭矩平均值与煤体应力之间的变化规律。试验结果表明:相同的钻机设备不变,外界其它因素一定时,对同种煤岩性质的试件进行钻削,钻杆推力与煤体应力为负相关关系;钻杆扭矩与煤体应力为正相关关系。通过测试钻杆推力和扭矩的实验数值,反演出煤体应力的大小,进而可以预测冲击地压的危险性,研究结果可为煤矿动力灾害预测预报提供一定的理论与实验基础。     

煤体应力与钻杆扭矩的关系研究

为了研究向煤体中打钻过程中煤体应力与钻杆上扭矩的关系,利用自主研发的钻杆扭矩测试装置,分别测定了煤体应力为6MPa、8MPa、10MPa、12MPa、14MPa条件下的钻杆扭矩。首次提出了利用钻杆扭矩测试煤体应力的方法,并通过现场实测进行了验证。研究结果表明:在钻进情况、煤体强度相同而煤体应力不同的条件下,钻杆扭矩及其变化速率与煤体应力都服从线性递增关系,线性相关系数在0.95以上。根据钻杆扭矩测试结果确定某矿12160工作面的卸压带宽度约为4m、应力峰值点大致位于孔深5m处和原岩应力区在孔深大于6m的区域。本文研究结果为煤体应力测试提供了新思路。     

钻进速度对钻杆扭矩影响的理论分析与试验研究

利用钻杆扭矩法预测冲击地压等煤矿动力灾害时,钻进速度是影响钻杆扭矩的一个重要因素。研究钻进速度对钻杆扭矩的影响可以减少预测指标的误差,提高预测准确性。利用自主研发的钻杆扭矩测试装置,对预制煤体相似材料试件进行了不同钻进速度下的钻孔试验,研究了不同钻进速度对钻杆扭矩变化的影响规律。试验结果表明:钻进速度对钻杆扭矩影响很大。同种煤岩体材料,相同压力条件下,钻进速度越快,钻杆扭矩越大,反之,钻杆扭矩越小。上述研究成果可用于减少预测指标误差。     

高轴压和围压共同作用下受频繁冲击时含铜蛇纹岩能量演化规律

探讨高轴压和围压共同作用下频繁冲击扰动试验过程中伴随主要能量的种类，并推演冲击扰动前后弹性能、塑性能等能量的计算公式；采用预加载围压、高轴压、0.5 MPa冲击气压模拟深部岩体承受的水平应力、垂直高应力及爆破开挖扰动的影响开展动力学试验，并基于试验结果分析含铜蛇纹岩的动力学特征及能量演化规律。研究结果表明:含铜蛇纹岩能承受的扰动冲击次数随轴压增大而减小，随围压增大而增大，且动态峰值应力随扰动冲击次数增加而减小；随扰动冲击次数的增加，岩样伴随的弹性能先增大后趋于减小，伴随的塑性能呈增大的趋势发展，反射能和入射能的比值与透射能和入射能比值的变化规律相反，前者呈增大趋势，后者呈减小趋势；单位体积吸(释)能随扰动冲击次数的增加呈下凸曲线趋势变化，其均值随围压增大先减小后增大，随轴压增大而减小。     

运行过程中载荷突变时可倾瓦推力轴承瞬态热效应的实验研究

研究了可倾瓦推力轴承在名义转速分别为2000r/min和4000r/min下,当载荷突然变化时推力轴在油膜温度和油膜厚度的瞬态变化规律。实验结果表明：当载荷突然增大时,油膜温度以及进油边温度上升,油膜厚度减小;随着载荷变化幅度的增大,温度上升幅度也增大,油膜厚度进一步减小;在载荷变化相同的情况下,相同时间间隔内转速高时油膜温度增大幅度比转速低时要大,而油膜厚度减小幅度比低转速下小。     

支点变形对水润滑可倾瓦推力轴承起动过程影响

本文中建立了水润滑可倾瓦推力轴承启停过程瞬态模型,采用Hertz接触模型,以自定义可倾瓦推力轴承起动过程发生初始倾斜时刻转速—初始倾斜转速Uft为对象,分析了支点接触与磨损变形量、载荷大小对水润滑可倾瓦推力轴承起动过程影响.初始倾斜转速Uft随着支点变形量增大而增大,随着载荷增大而增大.在给定可倾瓦推力轴承可接受初始倾斜转速最大值Uftc情况下,几何尺寸确定可倾瓦推力轴承载荷及支点变形均存在最大值.采用水润滑可倾瓦推力轴承性能试验台进行模型验证,结果表明:Uft测量值与数值分析结果吻合度较高,误差小于10%;采用加速度传感器及扭矩传感器联合方法可以比较准确地判断出轴承推力瓦发生倾斜时刻,从而确定可倾瓦推力轴承的Uft值.     

MODEL ESTABLISHMENT AND LOAD TRANSFER OF SEMI ARTICULATED FLEXIBLE DRILLING TOOL1)

半铰接柔性钻具的载荷传递规律直接影响超短半径水平井钻进的成功率。为此,首先推导出半铰接柔性钻杆的单元刚度方程并揭示了半铰接柔性钻杆的弯矩传递规律;然后,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,验证了半铰接柔性钻杆有限元模型的正确性;最后,建立造斜段半铰接柔性钻具力学模型,对不同井眼曲率半径下半铰接柔性钻具的载荷传递规律进行研究。结果表明：井深位置相同时,井底扭矩值随曲率半径的增加而增大;半铰接柔性钻杆未锁死时,柔性钻杆不传递弯矩且井底扭矩波动较大,相关研究成果为柔性钻具的设计提供理论依据。     

半铰接柔性钻具模型建立及载荷传递规律研究

半铰接柔性钻具的载荷传递规律直接影响超短半径水平井钻进的成功率。为此,首先推导出半铰接柔性钻杆的单元刚度方程并揭示了半铰接柔性钻杆的弯矩传递规律;然后,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,验证了半铰接柔性钻杆有限元模型的正确性;最后,建立造斜段半铰接柔性钻具力学模型,对不同井眼曲率半径下半铰接柔性钻具的载荷传递规律进行研究。结果表明:井深位置相同时,井底扭矩值随曲率半径的增加而增大;半铰接柔性钻杆未锁死时,柔性钻杆不传递弯矩且井底扭矩波动较大,相关研究成果为柔性钻具的设计提供理论依据。     

炭黑颗粒对丁苯橡胶材料力学性能的影响

利用电子万能材料试验机,对不同体积分数的炭黑填充丁苯橡胶复合材料进行了单向拉伸和循环拉伸加卸载等准静态力学试验,研究了炭黑填充橡胶材料单向拉伸应力应变关系、Mullins效应、调制应变相关性和拉伸断裂力学行为等.试验结果表明:调制应变越大,橡胶材料的刚度越小,橡胶的非线性应力应变关系越明显;炭黑含量越高,橡胶材料的初始模量和刚度越大,应力反翘现象和Mullins效应越显著;同时,随着炭黑体积分数的增加,炭黑填充丁苯橡胶材料的拉伸强度和断裂伸长率将呈现先增大后减小的趋势.     

循环荷载作用下低掺量水泥土试样变形性状试验研究

在大量动三轴试验的基础上,深入研究了低掺量水泥土的动力特性。试验结果表明:动应变εd是影响土样动弹模量及阻尼比的最主要因素,随着动应变水平的提高,动弹模量Ed成倍减小而阻尼比λ成倍增大。随着掺灰量的增大,水泥土的动弹模量和阻尼比相应增大。动弹模量随围压σ3增减而增减,阻尼比λ随围压σ3的增加而减小。最大动弹模量Edmax与围压σ3呈指数递增关系;最大阻尼比λmax在7%～30%之间,与围压σ3呈指数递减关系,并建立了相应的经验公式。     

高瓦斯煤层冲击地压发生条件与影响因素

针对高瓦斯煤层冲击地压问题,用解析方法得到冲击地压发生条件,分析了主要影响因素对满足冲击地压发生条件的临界塑性区半径和临界应力的影响规律.结合五龙矿开采实际情况对影响高瓦斯煤层冲击地压的煤的模量比、煤层瓦斯孔隙压力、支护应力和内摩擦角4个因素做了对比分析.研究发现:高瓦斯煤层在巷道掘进面附近由于存在开挖面空间效应,掘进面前方尚未开挖的煤体对巷道变形起到了限制作用,减少了冲击地压的发生,随着掘进面向前推进,后方一定距离范围内的巷道支护应力增大.随着瓦斯解吸渗流的进行,巷道壁处孔隙压力降低,巷道冲击地压危险性明显提高,此时提高支护应力,冲击危险性有所降低.高瓦斯煤层巷道发生冲击地压的临界塑性区半径和临界应力随模量比、瓦斯孔隙压力的增大而快速减小,随支护应力的增大而增大,临界塑性区半径随内摩擦角的增大而增大,临界应力与内摩擦角不是单调函数关系,存在一个极小值点,当内摩擦角小于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而减小;当内摩擦角大于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而增大.     

腔体高度对Rayleigh-Bénard对流的影响的二维数值分析

腔体高度的改变会对Rayleigh-Bénard对流产生影响.本文利用二维流体力学基本方程组进行数值模拟,在相对瑞利数r(28)5,腔体高度0 0 0 0 0d(28)1d,1.4d,1.8d,2d,3d(cm10d(28))时,研究了对流运动的动力学特性,发现随着腔体高度d的增加,稳定对流的对流圈数与之呈线性反比例关系,而对流波数k随之基本保持恒定;对流稳定后,对流振幅和努塞尔数随腔体高度d增大而减小,且得出对流振幅和努塞尔数随着相对腔体高度0/dd变化的函数关系式.在腔体高度0 0 0d(28)1d,1.4d,1.8d情况下,对流振幅和努塞尔数都随相对瑞利数r的增大而增大;且腔体高度d越大,其增长率反而越小.     

复合环境下直升机旋翼动力特性分析

考虑直升机旋翼旋转时声场、应力刚化、几何大变形等复合运行环境,对多种影响因素下的旋翼动力特性进行研究。通过实验测试数据建立了直升机旋翼结构的动力有限元模型,对旋翼在静止、应力刚化影响下的动力特性进行了分析;建立旋翼声振耦合动力学模型,考虑外声场和旋翼几何非线性影响因素,深入研究旋翼动力特性的变化规律,分析了其内在机理。研究分析发现:考虑声场影响后结构前三阶的固有频率误差分别减小了0.46%、0.82%、0.45%,更接近实验值,旋翼桨叶的振幅峰值明显降低;应力刚化对旋翼模态影响较大,随着其转速的增加固有频率呈二次曲线上升趋势;几何非线性使旋翼的共振频率值略微增大、振幅极值减小。     

焊接残余应力对非线性矩形薄板奇点影响的讨论

根据板壳理论建立了具有焊接残余应力矩形簿板的非线性动力学方程;利用Galerkin原理,首次获得了具有焊接残余应力矩形簿板的非线性运动方程。在该非线性运动方程的基础上,研究了焊接残余应力对矩形簿板稳定中心点具有稳定解的邻域范围的影响;讨论了焊接残余应力对矩形簿板稳定中心点具有稳定解的邻域范围所对应的积分常数临界值的影响。研究结果表明:随焊接残余应力的增加,非线性矩形薄板相平面图中稳定中心点具有稳定解的邻域范围增大,非线性矩形薄板运动范围增大。     

超临界CO_2作用下煤体膨胀变形规律试验研究

为解决采用应变片对超临界CO_2作用下煤体膨胀变形进行点测量时,试验结果离散性大、超临界CO_2作用导致应变片易脱离破损等问题,自主研发了具有施加热流力载荷功能的膨胀体积应变测量装置,对不同温度、压力的超临界CO_2作用下,煤体膨胀体积变形规律进行研究。结果表明:煤体膨胀体积应变随超临界CO_2作用时间增加呈现先增大后趋于稳定的变化规律;当孔隙压力不变时,膨胀体积应变随超临界温度的升高而增加,温度越高,达到稳定膨胀变形所需时间越长;当温度不变时,随着超临界孔隙压力增加,膨胀体积应变也随之增大,但达到稳定膨胀变形所需时间随孔隙压力的升高呈先增加后减少的趋势;超临界CO_2作用下,煤体体积应变随温度和孔隙压力均呈"S型"Logistic函数规律变化;膨胀体积应变对超临界温度和孔隙压力的变化率具有分区性,其变化率大小排序依次为:近临界区跨临界区高临界区。     

扭动微动下亚表面接触应力分布规律

求解螺栓连接结构在扭动微动下的应力分布时,通常接触体的亚表面应力是由表面应力推导而得。而扭矩卸载时,由于接触表面切向力的表达式非常复杂,很难获得亚表面应力分布规律,为此引入半解析法求解亚表面应力分布特征。首先,根据加、卸载时的切向力和扭矩方程,获得加、卸载时的表面切向应力分布规律;然后,利用半解析法计算出加载时的亚表面应力,并与解析法的结果进行对比,验证半解析法的正确性,再用半解析法计算出卸载时的亚表面应力;最后,探讨了扭矩和摩擦系数对卸载时应力分布的影响规律。研究表明:卸载时,最大应力出现在接触表面或接触中心的正下方;随着扭矩的减小,整体应力减小,而最大应力先减小后不变;随着摩擦系数的增大,整体应力、最大应力值增大;应力值相对较小时,最大应力点出现在亚表面上。     

双台肩钻杆丝扣粘扣失效的力学机制探究

针对丝扣粘扣中接触压力过大引发的塑性变形的问题,基于双台肩钻杆接头的三维有限元分析,分析了上扣扭矩、轴向拉力、旋转扭矩作用下的钻杆接头接触压力分布规律和Mises应力分布规律。研究结果表明:当轴向拉力达到2500kN时,主台肩上的接触压力降为零,这将使得载荷主要由螺纹牙来承担,增加丝扣粘扣的风险。当旋转扭矩超过24000N m时,一方面提高了副台肩上的接触压力,增加了副台肩失效的风险;另一方面大幅提高了螺纹牙的承载比例,增加了丝扣粘扣的风险。适当增大副台肩间隙和副台肩处的接触面积可以降低大位移井中副台肩失效的风险。适当增大主台肩、副台肩的接触面积可以降低超深直井中丝扣粘扣的风险。本文计算的三种工况条件下,最大Mises应力同样均位于公扣大端第一个螺纹牙处,说明该处是最易发生粘扣的部位,在螺纹结构的优化设计中应予以重点考虑。     

冻土单轴动态加载下的力学性能

研究冻土的动态力学性能对于地下工程人工冻结法施工等具有重要意义。本文应用分离式霍普金森压杆(SHPB),研究了冻土单轴动态加载下的力学性能,涉及-3、-8、-13、-17、-23和-28℃共6个负温的冻土,应变率范围350～1200s-1。获得了相应条件下的冻土应力应变关系。冻土的单轴动态应力应变曲线具有脆性特征。发现冻土具有温度和应变率效应,其强度随温度降低和应变率增大而增大,最终应变随应变率增大而增大。冻土温度越低,应变率敏感性越强;加载应变率越高,冻土的温度效应越显著。文中提出的粘弹性损伤型本构模型能够较好的描述6个温度冻土的应力应变关系。     

钻孔法测量残余应力过程中钻孔附加应变的研究（Ⅱ）

本文应用弹塑性理论研究了被测试样的屈服强度、应力场对钻孔法测量残余应力过程中钻孔附加应变的影响,使用简化的理论模型推导了低速旋转钻头钻孔产生附加应变的一般表达式.结果表明钻孔引入的附加应变与被测试样的原始残余应力状态有关,随应力水平增加而增大,在压应力减小到某一临界值σ时,钻孔附加应变为零。在 Ly12铝合金上的实验测量结果与理论结果一致。     

西昌昔格达组粉砂岩动力特性研究

为西昌昔格达组地层场地地震安全性评价提供基础性数据,对西昌经久乡昔格达组粉砂岩进行了一系列动三轴试验.研究结果表明:西昌昔格达组粉砂岩在一定条件下(σ3c=100、200、400 kPa,kc=1.0、1.5、2.0)的骨干曲线符合幂函数模型;动剪应力随着固结围压σ3c或固结主压力比kc增大而增大;在偏压状态下产生相同动剪应变所需要的动剪应力比均压状态所需要的动剪应力大.不同固结应力条件下,动剪切模量随固结压力或固结主压力比增大而增大,随动剪应变增加而减小并趋于稳定;最大动剪切模量Gd0与σ3c/Pa、kc均有良好的幂函数关系.阻尼比随动剪应变增大而增大,但增大幅值随动剪应变增大而迅速减小;阻尼比随围压或固结主压力比增大而减小;不同固结应力条件下(λ/λmax)与(1-Gd/Gdo)有良好的幂函数关系并可归一化处理.西昌昔格达组饱和粉砂岩的动剪应力τd随固结围压σ3c或固结主压力比kc增大而增大,随振动次数增加而减小;τd/σm随固结围压σ3c增大而减小,随固结主压力比kc增大而增大;动剪应力τd与平均压力σm、固结主压力比kc有较好的线性关系.