超声波振动碎岩机理的研究

With the increase of mineral resources exploration depth, hard rock which occupies in the drilling engineering in an increasingly large proportion. Hard rock has always been a problem in the drilling engineering (due to the hard rock with high strength, cause a bit short life, low drilling speed, high drilling cost ), a serious impact on resource exploration effect and cost. At present, the vibration frequency of common shocks in hard rock with rotary drilling method is low (14Hz), rock breaking mechanism for impact shear collapse, coupled with the rotary shear broken rock, rock strength reduction is not obvious, low efficiency and short service life of drilling bit. The natural frequency of hard rock is 20KHz ~ 40KHz, in the rock under the resonance, internal will quickly damage (or crack), the rock strength will be greatly decreased sharply. In different frequency and voltage driving, piezoelectric ceramics to produce frequency 15Hz ~ 10GHz, 0 ~ 2000KN vibration mechanical vibration, can be used for resonant breaking rock. Use of the existing series of piezoelectric ceramic vibrator, and by the method of experiment and numerical simulation study of rock damage, in the law of strength under ultrasonic vibration (i.e. crack initiation condition and extended rules), the optimal vibration parameters, drilling to provide theoretical guidance for the ultrasonic vibration assisted turning, solve the hard rock drilling (including tunnel) technical problem.

随着矿产资源勘探深度的不断增加，硬岩在钻探工程中所占的比例越来越大。而硬岩一直是钻探工程的一大难题（由于硬岩强度高，造成钻头寿命短、钻进速度低、钻探成本高），严重影响了资源勘探的效果和成本。目前硬岩中常用冲击回转钻进法的振动频率低（14Hz），碎岩机理为冲击产生剪崩，再配合回转剪切碎岩，岩石强度降低的不明显，钻进效率低、钻头寿命短。硬岩的固有频率为20KHz～40KHz，在岩石受到共振时，内部会快速产生损伤（或裂纹），岩石的强度会大幅度急剧下降。在不同频率、不同电压的驱动下，压电陶瓷能产生频率15Hz～10GHz、振动力0～2000KN的机械振动，可用于共振破碎岩石。利用现有系列压电陶瓷振动器，通过实验与数值模拟的方法，研究岩石在超声波振动下强度损伤规律（即裂纹起裂条件及扩展规律）、最优振动参数，为超声波振动辅助回转钻进提供理论指导，解决硬岩钻探（包括隧道掘进等）的技术难题。

在钻探领域，硬岩钻进存在钻进效率低、钻头寿命短、钻井成本高等问题。超声波振动作用可使岩石内部快速产生损伤或裂纹，岩石强度大幅度下降，从而降低破碎难度，提高岩石破碎效率。通过采用数值模拟方法，对超声波振动破碎硬岩过程进行模拟分析，从理论上探索超声波振动下岩石裂纹的形成与扩展规律，运用试验研究手段，探究静压力、振动时间、振动力、振动频率等超声波振动参数对岩石破碎效果的影响，获取各参数的最优取值区间。经研究，成功研制了超声波振动钻进实验装置，通过理论分析、数值模拟与试验相结合的研究方法，以岩石的细观损伤力学为基础，结合疲劳破碎理论、共振碎岩理论，分析岩石在超声波振动下的受力过程、力与岩石裂纹形成的关系，建立了超声波振动过程及花岗岩裂纹变化特性的数学模型数学模型，发现岩石胁迫响应的振幅与施加载荷的幅值成比例并得出公式。运用有限元软件、离散元软件对超声波振动岩石内部裂纹的动态演化过程进行建模计算得出了演化机理，发现拉伸破坏是裂纹失效的主要机制，扩展多沿与载荷加方向平行方向，且沿与加载方向成60°方向。基于核磁共振检测、热红外成像、渗透探伤法和数字图片处理技术等检测技术开展超声波振动实验，获取了超声波振动碎岩的裂纹衍生规律，发现岩样内的孔隙随超声波振动次数的变化呈现出弹性形变、起裂扩展、贯通破坏三个阶段，探究了振动碎岩参数对碎岩效果影响，发现振幅、静压力、时间均存在阈值，选取高于阈值的振动参数及接近固有频率的振动频率，能够获得最优的超声波振动碎岩效果。通过研究获取了岩石在超声波振动下的强度下降的规律、岩石损伤规律、最优碎岩振动参数，补充了领域空白，为超声波振动技术在工程实践中解决硬岩钻进难题提供理论支撑和技术指导，具有较大的实际意义与应用价值。