海底表层水合物绞吸单齿破碎仿真分析
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第 ５８卷 第 ５期 ２０１９年 ９月
中山大学学报 （自然科学版） ＡＣＴＡ ＳＣＩＥＮＴＩＡＲＵＭ ＮＡＴＵＲＡＬＩＵＭ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＡＴＩＳ ＳＵＮＹＡＴＳＥＮＩ
Ｖｏｌ５８ Ｎｏ５ Ｓｅｐ ２０１９
ＤＯＩ：１０１３４７１／ｊｃｎｋｉａｃｔａｓｎｕｓ２０１９０５００１
海底表层水合物绞吸单齿破碎仿真分析
ＷＡＮＧＧｕａｎｇｓｈｅｎ，ＷＡＮＧＧｕｏｒｏｎｇ，ＺＨＯＮＧＬｉｎ，ＺＨＡＮＧＹｉｃｈｉ，ＱＩＵＳｈｕｎｚｕｏ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０５００，Ｃｈｉｎａ）
பைடு நூலகம்
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｕｔｔｅｒｓｕｃｔｉｏｎｇａｓｈｙｄｒａｔｅｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｆｌｕｉｄｉｚｅｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｉｎｉｎｇｉｓｏｎｅｏｆｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｓｅａｂｅｄｈｙｄｒａｔｅｍｉｎｉｎｇ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ（ＤＥＭ），ａｑｕａｓｉ３Ｄｎｕｍｅｒｉ ｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｓｉｎｇｌｅｔｏｏｔｈｃｕｔｔｉｎｇｈｙｄｒａｔｅｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｈｙｄｒａｔｅｂｒｅａｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄｔｈｅｆｏｒｃｅｏｆｔｈｅｃｕｔｔｅｒｔｅｅｔｈｉｎｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ：１）Ｈｙｄｒａｔｅｆｒａｃｔｕｒｅｓｔｉｌｌ ｆｏｌｌｏｗｓｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆｒｏｃｋ，ｐｕｒｅｈｙｄｒａｔｅｉｓｐｌａｓｔｉｃａｌｌｙｄｅｓｔｒｏｙｅｄ，ａｎｄｍａｒｉｎｅｈｙｄｒａｔｅｄｅｐｏｓｉ ｔｉｏｎｉｓｂｒｉｔｔｌｅｆｒａｃｔｕｒｅ；２）ｔｈｅｄｅｅｐｅｒｏｆｃｕｔｔｉｎｇｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｔｈｅｌａｒｇｅｒｖｏｌｕｍｅｏｆｔｈｅｃｏｌｌａｐｓｅｄｍａｒｉｎｅｈｙ ｄｒａｔｅｄｅｐｏｓｉｔｓ；３）ｗｈｅｎｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｔｈｉｃｋｎｅｓｓｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ８ｍｍ，ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｌｉｎｅａｒｌｙｗｉｔｈ ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｓｔｕｄｙｔｏｃｒｕｓｈｈｙｄｒａｔｅｂｙｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｍｉｎｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｃｕｔｔｅｒｓｕｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｉｎｉｎｇａｎｄｔｈｅｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎａｔｕｒａｌｇａｓｈｙｄｒａｔｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｉｎｉｎｇ；ｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ；ｃｕｔｔｉｎｇａｎｄｂｒｅａｋｉｎｇ
关键词：天然气水合物；机械采掘；离散元法；切削破碎 中图分类号：ＴＥ３ 文献标志码：Ａ 文章编号：０５２９－６５７９（２０１９）０５－０００１－０７
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｅａｂｅｄｇａｓｈｙｄｒａｔｅｃｕｔｔｅｒｓｕｃｔｉｏｎ ｍｉｎｉｎｇｓｉｎｇｌｅｔｏｏｔｈｃｒｕｓｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ
王广申，王国荣，钟林，张亦弛，邱顺佐
（西南石油大学机电工程学院，四川 成都 ６１０５００）
摘 要：固态流化机械采掘的原位绞吸式开采是目前较为适用的海底表层水合物开采技术之一。基于离散元法
建立了单齿切削水合物的拟三维数值仿真模型，对单齿切削水合物的破碎过程进行了研究。研究结果表明：１） 水合物破碎仍然遵循岩石的破坏机理，纯态水合物呈塑性破坏、海洋水合物沉积呈脆性破碎；２） 切削厚度越 深，崩落的海洋水合物沉积物体积呈越大的趋势；３） 切削厚度小于 ８ｍｍ时，切削力随切削厚度成线性增大。 运用三维离散元法研究绞吸头单齿破碎水合物具有可行性，其研究结果可为绞吸式机械采掘及绞吸头的设计、 开采参数的制定提供依据。
天然气水合物又称 “可 燃 冰”，是 一 种 高 密 度、高热 值 的 非 常 规 能 源。 勘 探 研 究 表 明［１］， 全 球超过 ８０％水合物储存在海洋深水浅层未胶结的
细粒裂缝型和分散型的泥岩中。我国南海的海洋天 然气水合物具有埋藏浅、非成岩、弱胶结且大多无 致密盖层的特性［２－３］。埋藏于海洋深水区表层的水
收稿日期：２０１８－０９－０５ 基金项目：国家重点研发计划项目 （２０１８ＹＦＣ０３１０２０１）；中国工程院战略咨询项目 （２０１７－ＸＺ－１０－０２－０２） 作者简介：王广申 （１９９２年生），男；研究方向：天然气水合物开采装备；Ｅｍａｉｌ：ｗｇｓ１４５６９００＠１２６ｃｏｍ 通信作者：王国荣 （１９７７年生），男；研究方向：天然气水合物开采工艺及配套工具；Ｅｍａｉｌ：２００３３１０１００２３＠ｓｗ ｐｕｅｄｕｃｏｍ
２
中山大学学报 （自然科学版）
第 ５８卷
合物矿藏最浅距离海底泥线 ０５ｍ。因此，作为海 洋天然气 水 合 物 试 采 方 法 的 降 压 法［４］， 显 然 不 适 用于开采表层水合物。
近年来，使用绞吸式技术进行锰结核商业化开 采已有成功的案例；固态流化技术在荔湾 ３＃井成 功实施开采也为表层水合物开采提供了可行的技术 方案 ［２－３，５－７］。徐良 海 等 ［８］最 早 提 出 了 绞 吸 式 开 采 技术，并进行 了 理 论 验 证。 杨 啸 轶［９］建 立 了 绞 刀 受力的计算 模 型。 苏 召 斌 等 ［１０］依 据 挖 岩 绞 刀 切 削 岩石的特点，提出了切层厚度和步进距离的数学表 达方法。张凌博等［１１］利用扩展的 Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ 塑性模 型 模 拟 了 绞 吸 作 用 下 的 岩 体 变 形 及 破 碎。 Ｗａｒｒｅｎ和 Ｓｉｎｏｒ［１２］建立了切削力和岩石抗压强度、 内 摩 擦 角 以 及 切 削 参 数 的 理 论 关 系 式。 Ｎｉｃｏｄｅｍｅ［１３］和 Ｃｈａｐｕｔ［１４］发 现：切 削 深 度 较 小 时， 切削力和切 削 深 度 成 正 比 关 系。 伍 开 松 等 ［１５－１６］开 发了钻头单齿破碎天然气水合物的有限元程序，为 天然气水合物钻头设计奠定了基础。水合物沉积层 为大量泥沙颗粒与水合物颗粒胶结，强度较小。目 前，缺乏针对水合物的绞吸头切削破碎研究。本文 引入离散元理论，建立了散体颗粒胶结水合物模型 和绞吸头单刀齿切削破碎模型，为绞吸头的设计及 开采工艺参数的制定提供依据。
中山大学学报 （自然科学版） ＡＣＴＡ ＳＣＩＥＮＴＩＡＲＵＭ ＮＡＴＵＲＡＬＩＵＭ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＡＴＩＳ ＳＵＮＹＡＴＳＥＮＩ
Ｖｏｌ５８ Ｎｏ５ Ｓｅｐ ２０１９
ＤＯＩ：１０１３４７１／ｊｃｎｋｉａｃｔａｓｎｕｓ２０１９０５００１
海底表层水合物绞吸单齿破碎仿真分析
ＷＡＮＧＧｕａｎｇｓｈｅｎ，ＷＡＮＧＧｕｏｒｏｎｇ，ＺＨＯＮＧＬｉｎ，ＺＨＡＮＧＹｉｃｈｉ，ＱＩＵＳｈｕｎｚｕｏ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０５００，Ｃｈｉｎａ）
பைடு நூலகம்
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｕｔｔｅｒｓｕｃｔｉｏｎｇａｓｈｙｄｒａｔｅｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｆｌｕｉｄｉｚｅｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｉｎｉｎｇｉｓｏｎｅｏｆｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｓｅａｂｅｄｈｙｄｒａｔｅｍｉｎｉｎｇ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ（ＤＥＭ），ａｑｕａｓｉ３Ｄｎｕｍｅｒｉ ｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｓｉｎｇｌｅｔｏｏｔｈｃｕｔｔｉｎｇｈｙｄｒａｔｅｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｈｙｄｒａｔｅｂｒｅａｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄｔｈｅｆｏｒｃｅｏｆｔｈｅｃｕｔｔｅｒｔｅｅｔｈｉｎｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ：１）Ｈｙｄｒａｔｅｆｒａｃｔｕｒｅｓｔｉｌｌ ｆｏｌｌｏｗｓｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆｒｏｃｋ，ｐｕｒｅｈｙｄｒａｔｅｉｓｐｌａｓｔｉｃａｌｌｙｄｅｓｔｒｏｙｅｄ，ａｎｄｍａｒｉｎｅｈｙｄｒａｔｅｄｅｐｏｓｉ ｔｉｏｎｉｓｂｒｉｔｔｌｅｆｒａｃｔｕｒｅ；２）ｔｈｅｄｅｅｐｅｒｏｆｃｕｔｔｉｎｇｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｔｈｅｌａｒｇｅｒｖｏｌｕｍｅｏｆｔｈｅｃｏｌｌａｐｓｅｄｍａｒｉｎｅｈｙ ｄｒａｔｅｄｅｐｏｓｉｔｓ；３）ｗｈｅｎｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｔｈｉｃｋｎｅｓｓｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ８ｍｍ，ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｌｉｎｅａｒｌｙｗｉｔｈ ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｓｔｕｄｙｔｏｃｒｕｓｈｈｙｄｒａｔｅｂｙｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｍｉｎｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｃｕｔｔｅｒｓｕｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｉｎｉｎｇａｎｄｔｈｅｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎａｔｕｒａｌｇａｓｈｙｄｒａｔｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｉｎｉｎｇ；ｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ；ｃｕｔｔｉｎｇａｎｄｂｒｅａｋｉｎｇ
关键词：天然气水合物；机械采掘；离散元法；切削破碎 中图分类号：ＴＥ３ 文献标志码：Ａ 文章编号：０５２９－６５７９（２０１９）０５－０００１－０７
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｅａｂｅｄｇａｓｈｙｄｒａｔｅｃｕｔｔｅｒｓｕｃｔｉｏｎ ｍｉｎｉｎｇｓｉｎｇｌｅｔｏｏｔｈｃｒｕｓｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ
王广申，王国荣，钟林，张亦弛，邱顺佐
（西南石油大学机电工程学院，四川 成都 ６１０５００）
摘 要：固态流化机械采掘的原位绞吸式开采是目前较为适用的海底表层水合物开采技术之一。基于离散元法
建立了单齿切削水合物的拟三维数值仿真模型，对单齿切削水合物的破碎过程进行了研究。研究结果表明：１） 水合物破碎仍然遵循岩石的破坏机理，纯态水合物呈塑性破坏、海洋水合物沉积呈脆性破碎；２） 切削厚度越 深，崩落的海洋水合物沉积物体积呈越大的趋势；３） 切削厚度小于 ８ｍｍ时，切削力随切削厚度成线性增大。 运用三维离散元法研究绞吸头单齿破碎水合物具有可行性，其研究结果可为绞吸式机械采掘及绞吸头的设计、 开采参数的制定提供依据。
天然气水合物又称 “可 燃 冰”，是 一 种 高 密 度、高热 值 的 非 常 规 能 源。 勘 探 研 究 表 明［１］， 全 球超过 ８０％水合物储存在海洋深水浅层未胶结的
细粒裂缝型和分散型的泥岩中。我国南海的海洋天 然气水合物具有埋藏浅、非成岩、弱胶结且大多无 致密盖层的特性［２－３］。埋藏于海洋深水区表层的水
收稿日期：２０１８－０９－０５ 基金项目：国家重点研发计划项目 （２０１８ＹＦＣ０３１０２０１）；中国工程院战略咨询项目 （２０１７－ＸＺ－１０－０２－０２） 作者简介：王广申 （１９９２年生），男；研究方向：天然气水合物开采装备；Ｅｍａｉｌ：ｗｇｓ１４５６９００＠１２６ｃｏｍ 通信作者：王国荣 （１９７７年生），男；研究方向：天然气水合物开采工艺及配套工具；Ｅｍａｉｌ：２００３３１０１００２３＠ｓｗ ｐｕｅｄｕｃｏｍ
２
中山大学学报 （自然科学版）
第 ５８卷
合物矿藏最浅距离海底泥线 ０５ｍ。因此，作为海 洋天然气 水 合 物 试 采 方 法 的 降 压 法［４］， 显 然 不 适 用于开采表层水合物。
近年来，使用绞吸式技术进行锰结核商业化开 采已有成功的案例；固态流化技术在荔湾 ３＃井成 功实施开采也为表层水合物开采提供了可行的技术 方案 ［２－３，５－７］。徐良 海 等 ［８］最 早 提 出 了 绞 吸 式 开 采 技术，并进行 了 理 论 验 证。 杨 啸 轶［９］建 立 了 绞 刀 受力的计算 模 型。 苏 召 斌 等 ［１０］依 据 挖 岩 绞 刀 切 削 岩石的特点，提出了切层厚度和步进距离的数学表 达方法。张凌博等［１１］利用扩展的 Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ 塑性模 型 模 拟 了 绞 吸 作 用 下 的 岩 体 变 形 及 破 碎。 Ｗａｒｒｅｎ和 Ｓｉｎｏｒ［１２］建立了切削力和岩石抗压强度、 内 摩 擦 角 以 及 切 削 参 数 的 理 论 关 系 式。 Ｎｉｃｏｄｅｍｅ［１３］和 Ｃｈａｐｕｔ［１４］发 现：切 削 深 度 较 小 时， 切削力和切 削 深 度 成 正 比 关 系。 伍 开 松 等 ［１５－１６］开 发了钻头单齿破碎天然气水合物的有限元程序，为 天然气水合物钻头设计奠定了基础。水合物沉积层 为大量泥沙颗粒与水合物颗粒胶结，强度较小。目 前，缺乏针对水合物的绞吸头切削破碎研究。本文 引入离散元理论，建立了散体颗粒胶结水合物模型 和绞吸头单刀齿切削破碎模型，为绞吸头的设计及 开采工艺参数的制定提供依据。