真空无水低功耗条件下碎岩机理研究

Fragmentation mechanism of rock is one of the key technology for sampling drilling successfully, efficiently and reliably. Under the conditions of vacuum, dry drilling and with the demand of low power consumption, rock drilling will cause bit temperature rise too fast and too high which can lead to some problems, such as low drill speed, bit broken easily and coring failure, etc. we survey the thermodynamic properties and thermal physical properties of rock under different temperature, and analyze the distribution characteristics of thermal stress and rock mechanical properties under high temperature. We build the bit- rock interaction model in vacuum drilling to study the energy conversion method, heat distribution and temperature field distribution when drilling temperatures soared. Simulation analysis and experimental research are carry out to investigate the multi-field coupling fragmentation mechanism of rock under the action of tensile stress, pressure stress, shear and thermal stress, etc. We extract the microscopic and mesoscopic feature parameters by scan the broken zones of the rocks to find out the stress distribution, the stress characteristics and the stress influence degree. The fuzzy evaluation method for crushing efficiency of the rock is put forward to optimize the bit design, reduce the power consumption of the drilling and improve drilling efficiency.

岩石破碎机理的研究直接影响钻进取样工作的效率和可靠性。真空、无水的特殊环境和干钻、低功耗等恶劣条件会造成钻头温升过高过快，极易导致破岩效率低下、钻头失效、取心工作失败等问题。课题对岩石进行不同温度下的热力学特性和热物理特性研究，分析高温条件下岩石力学特性变化规律和的热应力分布特点；建立钻头-岩石的相互作用模型，研究真空钻进时能耗转换途径、系统热量分配和温度场分布特点等，开展拉、压、剪、热等多种应力作用下的多场耦合碎岩机理的仿真分析和实验研究，对破碎区进行微观和细观形貌扫描，明确各种应力分布、各个应力作用特点和影响程度；提取破碎区特征参数，提出岩石破碎效果的模糊评价方法，为优化钻头设计、降低钻进功耗和提高钻进效率提供理论依据。

深空钻进取样面临真空、无水和低功耗等苛刻的钻进环境和条件，极易导致破岩效率低下、钻头温升过高过快，钻头失效等问题。通过开展温压耦合作用下的侵入碎岩机理研究，明确了不同载荷对裂纹起裂位置和裂纹扩展长度、扩展路径的影响规律；裂纹起裂位置主要从最大弹塑性边界萌生，沿着压碎区的应力集中部位向岩石自由表面扩展，径向裂纹的起裂点和扩展方向决定了崩裂区的深度和范围，裂纹扩展角度只受泊松比和内摩擦角的变化的影响。建立了岩石剪切破碎模型，存在岩石切削的临界深度d*，当切削深度d<d*，切削方式为塑性切削，当d>d*时，切削方式为脆性切削。确定了切削深度、切削角度等参数对岩石破坏机理、切削温度、切削齿面温度分布等的影响规律，得出了岩屑的粒度和流动状态等对切削齿的前刀面温度影响特征。开展了真空无水低功耗条件下不同岩石钻进实验研究，确定了不同转速、不同真空度条件下，钻头切削齿温升和岩石温升的变化规律，得到了转速和不同岩石特性对钻头温度变化过程和切削热的转化规律，不同真空度对岩石钻进过程中切削热系统和分配关系的影响规律。建立了碎岩能耗转化模型，切削点随岩石强度差异导致刀具摩擦程度不同而发生变化，岩石强度的增加导致轴向钻进所需切削力增大，从而致使切削过程中能耗增加速率降低。切削点摩擦阶段中摩擦线斜率随着岩石强度的增加而上升，使得摩擦比功增长，这是由于岩石内摩擦角本身强度特性所决定的。本项目的研究成果为我国嫦娥五号的钻进采样任务成功实施，提供了钻头设计以及真空无水钻进参数选择等技术支持。