多功能水射流测试与碎岩教学模型实验装置及应用

鉴于水射流性能的优越性和应用的广泛性,开展水射流方面的研究是很有必要的。自主研发的多功能水射流测试与碎岩教学模型实验装置,主要由实验装置台架、水射流动力系统、控制与检测系统、岩样加持与固定系统和流体循环系统五部分组成,可实现包括对水射流打击力值和碎岩实验测试在内的多种功能。实验测试结果表明:水射流打击力值存在最优喷距;且打击力值随喷射压力的增大而增大。当水射流平行于油页岩层理方向打击时碎岩更容易,非淹没脉冲射流能够获得更好的碎岩效果。事实表明,实验装置能够达到对水射流研究工作的预期目的。     

水射流-机械滚刀复合破岩影响因素

针对极硬岩、极端软硬不均等特殊地层,滚刀破岩效率低下,刀具磨损（损坏）严重,掘进机换刀频繁,作业效率低的问题,通过搭建水射流滚刀复合破岩实验系统,针对不花岗岩,采用不同的机械滚刀间距及水射流辅助破岩方式,开展了纯机械滚刀破岩、水射流切割岩石和水射流机械滚刀复合破岩实验研究,探明了水射流与机械滚刀复合破岩水射流破岩切缝深度、刀具三向力及破岩比能变化规律,为水射流破岩技术在隧道掘进机工程应用提供指导。     

打击力测试传感器设计及试验研究

为解决锻锤打击力测试难题,文章采用孔辐剪切应变式结构设计技术,研制出用于打击力测试的传感器样机;系统地介绍了传感器结构设计基本原理及主要特性,对传感器进行了校准及碰撞试验台上的跌落冲击实测试验。结果表明,传感器具有较高的测试精度和良好的动力特性,能够实现打击力动态负荷的有效测量,不仅能用于锻锤设备的打击力测试,也可作为锻锤打击力检验工具或用于锻锤控制装置以提高锻打精度。     

浅析高压旋转水射流破岩机理

本文着重分析高压旋转水射流对岩石材料的打击力及压缩波对岩石材料的作用,通过对理论公式的推导和分析,详细论述了打击力和压缩波对岩石的破坏作用,从而得到旋转水射流破坏岩石材料的主要特点。     

高压水射流破岩机理研究

由于高压水射流破岩涉及的因素较多 ,且影响因素的作用规律比较复杂 ,致使其破岩机理一直未能被准确揭示 ,从而制约着水射流技术的应用和发展。对水射流破岩理论研究的状况进行了回顾 ,系统评述了水射流破岩研究中的理论要点 ,在此基础上指出水射流的冲击动载荷、岩石的动态本构关系、岩石与水射流的耦合作用以及水射流破碎岩石的数值模拟研究等是水射流破岩机理研究的发展方向 ,这对高压水射流破岩理论的深入研究和水射流技术的应用具有现实的意义     

高压水射流破岩机理研究

由于高压水射流破岩涉及的因素较多，且影响因素的作用规律比较复杂，致使其破岩机理一直未能被准确揭示，从而制约着水射流技术的应用和发展。对水射流破岩理论研究的状况进行了回顾，系统评述了水射流破岩研究中的理论要点，在此基础上指出水射流的冲击动载荷、岩石的动态本构关系、岩石与水射流的耦合作用以及水射流破碎岩石的数值模拟研究等是水射流破岩机理研究的发展方向，这对高压水射流破岩理论的深入研究和水射流技术的应用具有现实的意义。     

滚刀-高移速水射流耦合切削极硬花岗岩试验与模拟研究

目前,全断面隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀与高压水射流耦合破岩研究中,水射流切槽大多由低移速水射流切割而成,这与实际情况下耦合在TBM刀盘上的高移速水射流所制备的切槽不同,进而影响滚刀-水射流耦合破岩结果的可靠性。针对上述问题,采用2种喷嘴直径(0.5 mm和0.7 mm)、3种移速(1.8,2.4和3.0 m/s)的高移速水射流,耦合小尺度TBM滚刀(刃宽为2.3 mm和直径为43.2 mm),对极硬花岗岩进行切削试验,研究不同切削模式下的岩石破碎效果、滚刀法向力以及破岩比能的变化规律,同时开展全尺度滚刀与高移速水射流切槽耦合破岩的数值模拟,作为小尺度破岩试验的补充。研究结果表明：高移速水射流切槽的底长和高度随喷嘴直径的增大而增大,随喷嘴移速的增大而减小;在共轨破岩试验中,小滚刀下方岩石被高移速水射流部分移除,导致破岩载荷和破岩效率降低;在错轨破岩试验中,当小滚刀与水射流切槽间距大于15 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果趋于消失,当间距为12 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果最显著,破岩比能比纯滚刀切削降低68%;由于高移速水射流切槽小、滚刀...     

磨料射流割缝技术防突机理及应用

为改善李子垭南二井3102北机巷掘进碛头瓦斯预抽时间长、掘进速度慢的现状,通过对磨料射流使煤(岩)体损伤模型及防突机理的分析,研究了磨料射流切割破碎煤(岩)体的过程;利用磨料水射流切割煤矸石的实验研究,确定了磨料射流切割煤矸石的各种参数,并研制了一套新型的适合于现场应用的磨料水射流割缝装置。现场试验表明:磨料射流能够切穿单轴抗压强度为62MPa、60～80mm厚度的煤层夹矸,在煤层中形成缝槽,增大了瓦斯涌出自由面,促使煤体大范围快速卸压,增强煤层透气性,首月内瓦斯单孔平均抽采量提高了2.83倍。     

增压器全液压自动换向装置及其计算方法

为了研究更为新颖可靠的增压器全液压自动换向装置和与增压器换向频率有关的参数计算方法，对超高压水射流发生器及增压器的工作原理进行了分析，研制了1种对现行增压器自动换向装置的分类方法及具有结构独特、系统简单、机械噪音小、故障率低等优点的全液压自动换向装置.实验结果表明该分类方法概念明确，有利于规范此类装置的设计；将计算方法和新装置应用于水射流切割机产品的设计中，简化了水射流发生器结构，提高了其工作的可靠性，对提高超高压水射流切割机产品质量和促进水射流切割技术的发展起到了积极的推动作用.     

湿喷混凝土喷射打击力分布测试试验研究

针对喷射混凝土打击力测试试验条件受限、喷嘴内混凝土与空气混合均匀度测定困难等问题,研发了喷射混凝土打击力的分布测试系统,借助LabVIEW软件对不同风压条件下的数据进行采集和存储。对传感器的输出特性进行曲线拟合,在此基础上,分析混凝土在喷嘴中混合的均匀度。研究结果表明:在现有的施工条件下,该喷射混凝土打击力分布测试系统能较为精准的测得现场试验数据。     

气液两相射流破岩流场数值模拟

为解决传统水射流破岩资源消耗巨大的问题,急需研究出一种高效节能的射流破岩技术,以达到节能减排、绿色可持续发展的目的。本文基于计算流体力学方法,在水射流的基础上加入定量气相,形成气液两相射流,并对其进行数值仿真,研究了气液两相射流的速度场、压力场特性,分析了气相体积分数、入射压力和喷距对气液两相射流破岩性能参数的影响规律。研究结果显示：气相体积分数为30%的气液两相射流的最大轴向速度为288 m/s,相比纯水射流提升超过19%。当射流从喷嘴喷出,高压的气泡溃灭会形成高速溃灭微射流,提高射流速度和射流冲击力。随气相体积分数增加,射流最大轴向速度不断增加,而驻点压力略有下降。随入射压力增加时,射流最大轴向速度呈上升趋势,但增幅逐渐变缓。当喷距增加到35 mm时,射流中的大部分气泡在靶面附近发生溃灭,对靶面产生脉动冲击,使驻点压力回升到26 MPa,此时驻点压力高,射流扩散较小,射流破岩性能良好。     

水射流土层扩孔技术及影响因素

分析了水射流土层扩孔参数,建立了射流参数与土体参数的关系.通过实验,研究了射流参数和钻杆运动参数对扩孔效果的影响.结果表明:提高扩孔效果必须增大射流功率,在射流作用力大于土体临界破坏力的条件下,增大射流流量比增大射流压力更加有效;合理地匹配钻杆运动参数更有利于扩孔效果的提高.工程应用证明,运用水射流扩孔技术制作多环扩孔型锚杆是可行的,锚杆承载力明显提高.     

旋转水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型模拟了旋转水射流作用下岩石的损伤破坏过程 ,其中岩石损伤场的求解采用解耦的方法。同时还对旋转水射流的破岩机理进行了分析。模拟计算结果与前期的试验结果一致 ,均显示旋转射流具有较强的破岩能力 ,其原因在于旋转射流的质点具有三维速度 ,破岩时以倾斜冲击为主 ,易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏 ,回流的干扰较少 ;破岩过程首先是形成一环形破碎带 ,然后沿径向和轴向发展 ,所形成的破碎坑呈内凸锥状。旋转射流破岩的优势在于破碎面积大、效率高。     

高压水射流破岩钻孔过程的理论研究

对高压水射流破岩钻孔的试验结果、岩石内孔隙流体的运动规律以及水射流破岩过程中的能量分布变化趋势进行了分析 ,对高压水射流破岩钻孔过程进行了系统的研究。研究结果表明 ,高压水射流破岩钻孔过程分为两个阶段 ,初期以应力波作用为主 ,形成岩石损伤破坏的主体 ;后期以射流准静态压力作用为主 ,主要是使岩石孔眼直径扩大。水射流破岩钻孔过程中射流和岩石的相互作用以界面耦合为主 ,水射流的冲击载荷在岩石内产生的应力波和射流准静态压力共同作用使岩石破碎 ,其中应力波的作用占主导地位。     

高压水射流破碎岩石的有限元分析

根据连续介质力学和有限元理论 ,给出了高压水射流破岩系统中流体和岩石的控制方程 ,并建立了相应的有限元列式。采用交错迭代的解耦方法求解了水射流与岩石的耦合问题 ,并就非线性动力有限元数值计算中应注意的问题进行了讨论。数值计算的结果较真实地反映了水射流破岩过程中岩石的动态响应以及水射流动力学特性的演化过程 ,并与相关试验规律吻合良好 ,这表明该分析方法是有效的 ,可用来指导高压水射流破岩理论的进一步研究及应用。     

水射流动力特性及破土机理

水射流破土效果取决于射流参数和土体参数,射流参数决定射流作用力的大小,而土体参数决定着土体临界破坏力. 通过射流动力特性及其破土机理分析,揭示了射流参数与土体参数之间存在的内在联系,建立了水射流破土的理论方程. 该方程解决了以往在射流破土过程中参数选取的随意性或无法确定射流参数的问题.     

高压水射流破碎高围压岩石损伤场的数值模拟

利用ALE(arbitrary lagrange-euler)算法,考虑到一般情况下岩石处于高围压状态,建立了高压水射流冲击高围压岩石的数值模型.分析了高压水射流冲击下高围压岩石的损伤演化过程,指出岩石破碎过程呈阶跃式;通过对比无围压状态下岩石和高围压状态下岩石在高压水射流作用下破碎坑演化情况,指出处于高围压状态下的岩石损伤沿轴向的演化速率明显低于无围压状态下的岩石,沿径向的损伤演化受围压影响较小.通过分析4个典型单元在不同速度射流冲击下损伤演化情况,表明在提高射流速度可明显提高射流破岩效率,并在理论上对射流速度与射流破岩性能的关系进行了解释.     

围压条件下井底环空循环吸入式粒子射流破岩试验

井底环空循环吸入式粒子射流钻井是解决硬地层破岩钻井效率低下的有效途径。采用所研制的井底围压试验装置,试验探索井底环空循环吸入式粒子射流破岩的规律。结果表明:随着围压的增大,粒子射流破岩效率逐渐减小;随着射流压力、粒子直径和硬度的增大,粒子射流破岩效率逐渐增大;随着喷距和粒子质量分数的增大,射流破岩效率呈现先增大后减小的趋势;井底环空循环吸入式粒子射流高效破岩钻井方法确实可行。