《超音波振動碎岩機理的研究》是依託吉林大學，由趙大軍擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：超音波振動碎岩機理的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：趙大軍
- 依託單位：吉林大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著礦產資源勘探深度的不斷增加，硬岩在鑽探工程中所占的比例越來越大。而硬岩一直是鑽探工程的一大難題（由於硬岩強度高，造成鑽頭壽命短、鑽進速度低、鑽探成本高），嚴重影響了資源勘探的效果和成本。目前肯民應厚硬岩中常用衝擊迴轉鑽進法的振動頻率低（14Hz），碎岩機理為衝擊產生剪崩，再配合迴轉剪下碎岩，岩石強度降低的不明顯，鑽進效率低、鑽頭壽命短。硬岩的固有頻率為20KHz～40KHz，在岩石受到共振時，內部會快速產生損傷（或裂紋），岩石的強度會大幅度急劇下降。在不同頻率、不同電壓的驅動下，壓電陶瓷能產生頻率15Hz～10GHz、振動力0～2000KN的機械振動，可用於共振破碎岩石。利用現有系列壓電陶瓷振動器，通過實驗與數值模擬的方法，研究岩石在超音波振動下強度損傷規律（即裂紋起裂條件及擴展規律）、最優振動參數，為超音波振動輔助迴轉鑽進提供理論指導，解決希拜估硬岩鑽探（包括隧道掘進等）的技術難題。
結題摘要
在鑽探領域，硬岩鑽進存在鑽進效率低、鑽頭壽命短、鑽井成本高等問題。超音波振動作用可使岩石內部快速產生損傷或裂紋，岩石強度大幅度下降，從而降低破碎難度，提高岩石破碎效率。通過採用數值模擬方法，對超音波戲閥遷振動破碎硬岩過程進行模擬分析，從理論上探索超音波振動下岩石裂紋的形成與擴展規律，運用試驗研究手段，探究靜壓力、振動時間、振動力、振動頻率等超音波振動參數對岩石破碎效果的影響，獲取各參數的最優取值區間。經研究，成功研製了超音波振動鑽進實驗裝置，通過理論分析、數值模擬與試驗相結合的研究方法，以岩石的細觀損傷力學為基礎，結合疲勞破碎理論、共振碎岩理論，分析岩石在超音波振動下的受力過程、力與岩石裂紋形成的關係，建立了超音波振動過程及花崗岩裂紋變化特性的數學模型數學模型，發現岩石脅迫回響的振幅與施載入荷的幅值成比例並得出公式。運用有限元軟體、離散元軟體對超音波振動岩石內部裂紋的動態演化過程進行建模計算得出了演化機理，發現拉伸破壞是裂紋失效的主要機制，擴展多沿與載荷加方向平行方向，且沿與載入方向成60°方向。基於核磁共振檢測、熱紅外成像、滲透探傷法和數字圖片處理技術等檢測技術開展超恥棕祝聲波振動實驗，獲取了超音波振動碎岩的裂紋衍生協拔應料規律，發現岩樣內的孔隙隨超音波振動次數的變化呈現出彈性形變、起裂擴展、催奔貫通破壞三個階段，探究了振動碎岩參數對碎岩效果影響，發現振幅、靜壓力、時間均存在閾值，選取高於閾值的振動參數及接近固有頻率的振動頻率，能夠獲得最優的超音波振動碎岩效果。通過研究獲取了岩石在超音波振動下的強度下降的規律、岩石損傷規律、最優碎岩振動參數，補充了領域空白，為棵簽和超音波振動技術在工程實踐中解決硬岩鑽進難題提供理論支撐和技術指導，具有較大的實際意義與套用價值。
