高压旋转水射流防治煤矿冲击地压实验研究

冲击地压是采矿业中突发性、瞬息难以预见的灾害，它的发生常常会造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此，研究便捷、可靠的防治方法，成为防冲减灾工作中的重要课题之一。传统防治方法中的大孔径机械钻孔卸压法，存在卡钻、长距离大孔径钻孔钻不动、排渣困难等难题。本文作者采用高压旋转水射流钻孔法，从地面实验中克服了上述问题，并研制了相关设备。通过多次试验数据表明，该方法是可行的，并为长距离、大孔径钻孔卸压“防冲”研究提出了一个新的可行的科学方法。     

新型旋转水射流钻孔技术

水射流钻孔技术是20世纪70年代发展起来的一门新技术．并广泛应用于煤炭、机械、石油、冶金、建筑、消防、化工等行业，主要用来对物料进行切割、破碎和清洗。研究表明：水射流钻孔法被认为是最有潜力、效率最高、能量传输方便、易于实现的新型钻孔方法，在工作压力103MPa的情况下．高压水射流钻进的速度是普通回转钻头的2～4倍。     

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。     

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。     

磨料浆体旋转射流破岩钻孔特性实验研究

聚丙烯酰胺作浆体添加剂,由高压罐在高压管路中加入磨料形成磨料浆体,通过定点冲蚀岩石实验研究磨料浆体旋转射流的破岩钻孔特点。实验表明,磨料浆体旋转射流冲蚀岩石形成的破碎坑呈"V"形。与非旋射流相比,相同水力参数下磨料浆体旋转射流的钻孔直径增加1.2倍左右,破岩体积提高约4倍。添加剂聚丙烯酰胺的含量增加对提高射流的破岩钻孔深度有明显地促进作用。     

锥形旋转水射流的试验研究

研究出一种圆锥形水射流喷嘴，并对其结构特点及压力分布进行了分析，从理论和试验结果论述了影响喷嘴射流扩散角的结构因素，包括叶轮叶片的出口角和射流截面压力分布，文中引入喷嘴的几何特征数Ω来表征喷嘴的旋转强度，可用于衡量喷嘴的质量。     

围压对旋转射流破岩钻孔效率的影响

根据现场径向水平钻井技术的需要 ,在前期常压条件下研究的基础上 ,对围压条件下旋转射流的破岩钻孔效率进行了试验研究。结果表明 ,在围压条件下 ,随着射流压力的增加 ,旋转射流破岩效率呈现出线性增加的趋势。随着喷距的增加 ,破碎效率呈现出先增加后减小的趋势 ,即存在最优喷距。在围压低于 5MPa时 ,破碎红砂岩的最优无因次喷距为 2～ 2 .5 ;随着围压的增加 ,破岩效率呈指数下降趋势 ,最优喷距随围压的增加而减小。在同压差条件下 ,围压比射流压力对破碎效果的影响更大。     

磨料浆体旋转射流破岩钻孔特性实验研究

聚丙烯酰胺作浆体添加剂，由高压罐在高压管路中加入磨料形成磨料浆体，通过定点冲蚀岩石实验研究磨料浆体旋转射流的破岩钻孔特点。实验表明，磨料浆体旋转射流冲蚀岩石形成的破碎坑呈“V”形。与非旋射流相比，相同水力参数下磨料浆体旋转射流的钻孔直径增加1．2倍左右，破岩体积提高约4倍。添加剂聚丙烯酰胺的含量增加对提高射流的破岩钻孔深度有明显地促进作用。     

自由淹没气体旋转射流速度场实验研究

为研究自由淹没气体旋转射流速度场规律,采用五孔探针对自行设计的旋流器形成的流场进行定量实验研究。测量4种不同旋流强度下的流场,计算得到了各分速度在不同截面上的量纲一分布图,并进行分析研究。结果证实:轴向速度分布在旋流器出口附近区域与旋流强度有关,在与射流轴心垂直的截面上呈"M"形分布,逐渐发展成"马鞍"状、正态分布,直至衰减到零;切向速度呈中心对称斜"S"状分布,不同截面上的最大值大致出现在同一量纲一半径处;径向速度在半径方向呈"~"形分布,比轴向速度和切向速度小1个数量级;轴向速度和切向速度沿轴向逐渐衰减,衰减随旋流强度增大而增快。     

双射流破岩钻孔参数实验研究

双射流是由中心直射流和同轴的环形旋转射流形成的一种新型高效射流,用双射流能够克服门限压力与高破岩比能的制约而高效破岩。采用破岩实验研究了喷嘴锥角、叶片出口角、内喷嘴直径、喷距和压力5个主要参数对双射流破岩效果的影响。结果表明,喷嘴入口锥角为60°、叶片出口角为18°的喷嘴产生的射流具有较强的破岩能力;当双射流喷嘴当量直径一定时,大的内喷嘴直径获得的破岩深度较大但会减小破岩体积;实验条件下,双射流破岩的最优喷距为10~20 mm,破岩门限压力为20~25 MPa,破岩体积随压力的增加而增加。     

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。     

前混合水射流喷丸喷嘴内流数值模拟

为研究弹丸在前混合水射流喷丸喷嘴内的运动特性,应用FLUENT软件对前混合水射流出口带圆柱段和扩散段的圆锥收敛形喷嘴内液固湍流进行了数值模拟。控制方程为连续相采用三维不可压缩稳态雷诺时均N-S方程,湍流模型采用k-ε模型,离散相采用拉格朗日模型。分析了喷嘴出口圆柱段长度、圆锥收敛角和出口扩散段对内流特性的影响。结果表明,出口圆柱段长度为30 mm、圆锥收敛角为13°时,连续相可以获得最大的轴向速度,且离散相的加速效果也最佳;出口带扩散段的喷嘴使得连续相和离散相的出口速度均会下降,但会增大喷丸的覆盖率,提高喷丸工作效率。     

水射流扩孔喷嘴内部流场的数值模拟

利用计算流体软件建立了土层扩孔喷嘴内部流场的三维数学模型.采用标准k-ε湍流模型模拟了喷嘴内部流场,并分析了喷嘴参数对流场速度分布、压力分布和出口速度的影响.结果表明,扩散角和扩散段长度对喷嘴内部流场影响较大,圆柱段长度的影响相对较小,但各参数都存在着最优值.计算结果与室内实验基本吻合,验证了喷嘴内流场分布与射流土层打击效果存在着内在联系.     

前混合磨料高压水射流切割喷嘴的数值模拟

为了延长喷嘴的使用寿命,提高水射流设备的使用效率,对前混合磨料高压水射流的喷嘴结构进行了优化设计.利用CFD软件对几种典型喷嘴的内部流动进行了数值模拟和仿真,得到了压力分布图、速度分布图、紊动能分布图及轴线上轴向速度图等仿真结果.对仿真结果进行了对比分析,得出了结构型式较好的喷嘴,为耐久喷嘴的研制提供了依据.分别用3种喷嘴做了一系列的试验,并与仿真结果进行了对比,证明仿真结果是准确的.     

不同形状喷嘴的高压水射流冲击力特性实验

高压水射流的柔性冲击力是评判其能否有效破碎物料的力学判据,喷嘴的出口形状对射流的冲击力影响较大。设计了5种不同形状的喷嘴,在自主设计的水射流冲击测试平台上开展了冲击实验,并采用PVDF压电薄膜传感器和高速摄像机来记录测试数据。实验结果表明：在相同的工况下,圆形喷嘴水射流的集束性最好,冲击诱导的冲击波对流体的扩散形态影响最大,最终导致其中心冲击压力最大;依次是正方向喷嘴、三角形喷嘴与十字形喷嘴,椭圆形喷嘴的水射流形态最为发散,其中心冲击压力最小;所有喷嘴形状水射流的峰值压力均随系统泵压的增加呈现非线性增加的趋势,而峰值压力持续时间几乎保持不变。     

缩放型喷嘴产生的空化射流流场数值模拟

应用Standard k-ε,RNG k-ε和Standard k-ω湍流模型对缩放型喷嘴内部湍流流场进行数值模拟,结合理论及质量流量测试试验对数值模拟结果进行对比验证.结果表明:RNG k-ε湍流模型最适合用于数值模拟缩放型喷嘴内部的湍流流场;RNG k-ε湍流模型数值模拟结果显示缩放型喷嘴收缩角使喷嘴喉管部产生了低压场,压差的产生使水射流的空化效果得到了提高.     

后混合水射流喷丸喷头内流数值模拟

为研究玻璃珠弹丸在后混合水射流喷丸喷头内的运动轨迹和速度特性,根据液固两相流动的拉格朗日离散相模型,应用FLUENT软件对喷头内液固湍流进行了数值模拟,得到了连续相的轴向速度和轴向动压强,获得了弹丸的运动轨迹和弹丸的轴向速度随行程及时间的变化规律.结果表明,连续相在喷头混合室入口处存在环形回流区,在混合室内呈非对称流动...     

高压水射流割缝揭穿煤层关键参数研究

针对高瓦斯低透气性煤层石门揭煤过程中瓦斯抽采难的现状,提出了高压水射流割缝提高煤层透气性方法。在理论分析射流轴向速度的分布规律基础上,得出射流冲击力与煤体力学性质耦合作用关系;通过分析煤体颗粒运动、受力状态,得出钻孔倾角、水量与煤体颗粒流速之间的关系;基于连续损伤力学分析出煤体产生损伤破坏的临界值,确定了高压水射流割缝煤体有效半径;并将该技术在平顶山某矿-380 mS4〖KG-*6〗石门进行现场试验,试验结果表明钻进工程量减少了38.2%,瓦斯预抽率提高了2.86倍,预抽时间缩短了57.1%,预抽面积增加     

喷嘴内液固两相射流流场的数值模拟

基于连续介质理论,考虑了液固两相间的相互作用,给出了喷嘴流道内液固两相射流的控制方程,利用标准的k-ε两方程模型对磨料射流喷嘴内流场进行了数值模拟研究,并对模型中的主要参数进行了优选。研究结果表明,水与磨料颗粒之间存在速度滑移,在相间力的作用下磨料颗粒一直作加速运动,颗粒速度逐渐趋向水的速度;进入喷嘴收缩段后,水与磨料颗粒同时得到加速,但由于惯性力的作用,达到相同速度磨料颗粒的加速过程要长;进入直柱段后,液相速度继续增加至最大速度,此后缓慢降低,而磨料颗粒在整个直柱段内一直加速,液固两相的速度差逐渐减小,直至从喷嘴喷出;喷嘴出口处液固两相的速度剖面近似为抛物线形,在喷嘴截面中心处速度最大,沿径向逐渐减小,离壁面越近,速度降低的幅度越明显。与前人的研究结果对比发现,模拟所得的结果是正确的。     

喷嘴内液固两相射流流场的数值模拟

基于连续介质理论，考虑了液固两相间的相互作用，给出了喷嘴流道内液固两相射流的控制方程，利用标准的k-ε两方程模型对磨料射流喷嘴内流场进行了数值模拟研究，并对模型中的主要参数进行了优选。研究结果表明，水与磨料颗粒之间存在速度滑移，在相间力的作用下磨料颗粒一直作加速运动，颗粒速度逐渐趋向水的速度；进入喷嘴收缩段后，水与磨料颗粒同时得到加速，但由于惯性力的作用，达到相同速度磨料颗粒的加速过程要长；进入直柱段后，液相速度继续增加至最大速度，此后缓慢降低，而磨料颗粒在整个直柱段内一直加速，液固两相的速度差逐渐减小，直至从喷嘴喷出；喷嘴出口处液固两相的速度剖面近似为抛物线形，在喷嘴截面中心处速度最大，沿径向逐渐减小，离壁面越近，速度降低的幅度越明显。与前人的研究结果对比发现，模拟所得的结果是正确的。