钻孔劈裂器破岩机理的数值模拟研究

摘要

本文应用先进的数值计算软件对钻孔劈裂法破岩机理进行重新认识，分析岩石劈裂过程中的岩石破碎机理，并研究劈裂器的机械性能参数和施工参数以及边界条件等因素对劈裂效果的影响，这对劈裂器的研制、设计与优化以及指导劈裂器现场施工，提高破碎效率等有着重要的理论价值和实际的工程意义。 研究中以德国DADAR公司生产的C9N型径向液压劈裂器和加拿大拉瓦勒大学(Laval University)研制的用于研究的轴向一径向劈裂器为对象，模拟两种劈裂器在硬岩开采和剥离中的破岩机理。针对目前劈裂器破岩理论研究中存在的不足，建立了劈裂器翼片与岩体的三维接触模型，以有限元分析程序ANSYS9.0为模拟运算工具，详细计算了两种劈裂器在各种边界条件、机械性能参数及施工参数下应力分布与变化规律，并运用弹性力学和断裂力学理论对其破岩机理进行分析，探讨边界条件和各种参数变化对破岩效果的影响。主要研究内容和结论包括： (1)建立了劈裂器翼片与岩体的三维接触模型，解决了模拟中在劈裂器作用下孔壁受力分布形式未知的力的加载问题，通过计算结果分析，得出了孔壁的受力分布规律。 (2)分析了在径向劈裂器和轴向一径向劈裂器作用下，钻孔附近应力沿径向、环向和轴向的分布规律。在径向劈裂器作用下，应力的最大值并不是发生在孔口，而是出现在θ=0°和θ=180°，深度为137mm的孔壁上，应力集中因子为1.14；在轴向一径向劈裂器作用下，应力最大值出现在孔底轴向杆边缘处，第一主应力最大值σ<,max>与加载在翼片上的压力常数σ<,N>的比值σ<,max/σ<,N>>为0.9。 (3)模拟研究了径向劈裂器和轴向一径向劈裂器在多个自由面下的岩石劈裂机理以及两个径向劈裂器共同作用下的劈裂效果。分析结果显示，随着自由面的增加，岩体内的应力最大值有增大的趋势，且均出现自由面方向的孔壁上。两个径向劈裂器共同作用时，两钻孔连心线上出现明显的应力叠加，且其数值大于单个劈裂器作用时同一位置应力值的2倍。 (4)模拟研究了轴向一径向劈裂器的破岩机理，根据不同机械性能参数和施工参数的变化，建立多组计算模型，深入研究和分析了楔形角度、钻孔深度对轴向一径向劈裂器破岩效果的影响。分析结果显示，径向应力σ，和切向应力σ。随楔形角度α的增大而减小，轴向应力σ，随α的增大而增大；劈裂深度与孔径之比h/r 等于4时，轴向一径向劈裂器的剥岩效率最高。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2钻孔劈裂破岩装置的发展现状

1.2.1静态径向劈裂器

1.2.2动态径向劈裂器

1.2.3轴向-径向劈裂器

1.2.4孔内柱式劈裂器

1.2.5橡胶膨胀劈裂器

1.2.6液压劈裂机

1.3劈裂器的实验研究现状

1.4劈裂器破岩机理的力学分析研究现状

1.5有限元数值分析研究现状

1.6存在的问题和不足

1.7研究目标和研究内容

1.7.1研究目标

1.7.2研究内容

第2章钻孔劈裂器破岩原理

2.1径向劈裂器破岩原理

2.1.1径向劈裂器的动力输出分析

2.1.2孔壁压力分布形式

2.2轴向-径向劈裂器破岩原理

2.3本章小结

第3章径向劈裂器破岩机理数值分析

3.1数值模拟模型建立

3.1.1模拟范围

3.1.2单元类型选择

3.1.3材料和屈服准则的选择

3.1.4网格的划分与处理

3.1.5接触类型及其接触算法

3.1.6边界条件和载荷施加

3.2计算结果和分析

3.2.1应力沿径向的分布规律

3.2.2应力沿环向的分布规律

3.2.3应力沿轴向的分布规律

3.2.4孔壁荷载的分布规律

3.3施工参数对径向劈裂器裂岩效果的影响

3.3.1自由面的影响

3.3.2多台劈裂器共同作用效果

3.4本章小结

第4章轴向-径向劈裂器破岩机理数值分析

4.1数值模拟模型的建立

4.1.1单元类型、材料类型、模型尺寸及网格划分

4.1.2边界条件

4.1.3接触算法

4.1.4载荷施加及处理

4.2计算结果和分析

4.2.1钻孔周围岩体中应力分布规律

4.2.2应力沿径向和轴向的分布规律

4.3技术性能参数对轴向-径向劈裂器剥岩效果的影响

4.4施工参数对轴向-径向劈裂器剥岩效果的影响

4.4.1劈裂深度的影响

4.4.2自由面的影响

4.5本章小结

第5章总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的学术论文

致谢