ロータリーパーカッション掘削の機構解明と数値シミュレータの高精度化

阐明旋转冲击挖掘机理并提高数值模拟器的精度

基本信息

批准号：
21H01867
负责人：
羽柴公博
金额：
$ 7.9万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01867/
关键词：
ロータリーパーカッション岩盤掘削シミュレータさく岩機

项目摘要

地下深部の探査や開発，科学的調査において，ボーリングによる速く正確で効率的な岩盤掘削技術が求められている．打撃と回転により岩盤を掘削するロータリーパーカッション掘削は，強固な岩盤に適用可能であるが，軟岩用のロータリー掘削に比べると速度は遅く，直進性や耐久性に劣る．そこで本研究では，ロータリーパーカッション掘削の高度化（高出力化，高効率化，高精度化）を目指した検討を行っている．令和4年度は，令和3年度に実施した複数のボタンチップが埋め込まれたビット（ボタンビット）の岩石への衝撃貫入試験の結果をもとに，ビット先端に加わる荷重とビットの岩石への貫入量の関係（荷重－貫入量曲線）をモデル化した．さらに，これまでに行われてきたボタンビットの岩石への一打撃試験を実施して，衝撃貫入試験の結果と比較することで，実際の穿孔過程の解明において重要な，荷重－貫入量曲線におよぼす回転の影響を明らかにした．それと並行して，1つのボタンチップが埋め込まれたビット（1チップビット）を用いて静的貫入試験と衝撃貫入試験を実施した．静的貫入試験においては，種々の直径の1チップビットを単独で貫入させた場合の荷重－貫入量曲線を取得するだけでなく，貫入によってできた孔に隣接させて貫入させることで，孔間での亀裂の発生やその荷重－貫入量曲線への影響についても調べた．衝撃貫入試験では，種々の直径の1チップビットを用いた試験装置を新たに製作し，荷重－貫入量曲線におよぼすチップ径の影響を明らかにした．これらの試験結果を再現するため，ビットの岩石への貫入挙動の3次元数値シミュレーションプログラムの開発に着手した．これらの成果は雑誌論文や国内学会で発表した．

深部地下勘探、开发和科学研究需要快速、准确、高效的钻孔岩石开挖技术。旋转冲击挖掘通过冲击和旋转来挖掘岩石，适用于坚固的岩石，但与软岩石的旋转挖掘相比，速度较慢，直线度和耐用性较差。因此，在本研究中，我们正在进行一项旨在提高旋转冲击挖掘的复杂性（更高的产量、更高的效率和更高的精度）的研究。 2020年度，基于2023年度嵌入多个齿形片的钻头（齿形钻头）的岩石冲击贯入试验结果，调查了施加在钻头前端的载荷以及钻头对岩石的冲击。对贯入量之间的关系（载荷-贯入量曲线）进行了建模。此外，通过使用球齿钻头对岩石进行单次冲击试验，并将其与冲击贯入试验的结果进行比较，我们能够确定载荷-贯入曲线，这对于阐明实际钻孔过程非常重要，我们阐明了冲击贯入试验的效果。旋转同时，使用嵌入一键芯片的钻头（1芯片钻头）进行静态贯入试验和冲击贯入试验。在静态贯入试验中，我们不仅获得不同直径的一片钻头单独贯入时的载荷-贯入曲线，而且还可以通过贯入相邻孔时获得孔之间的距离以及贯入产生的裂纹的发生情况。并研究了其对荷载-渗透曲线的影响。对于冲击穿透测试，我们使用不同直径的单头钻头创建了一种新的测试装置，并阐明了尖端直径对载荷-穿透曲线的影响。为了重现这些测试结果，我们开始开发一个三维数值模拟程序，用于钻头钻入岩石的行为。这些结果发表在期刊文章和国内会议上。