水射流辅助破岩机理研究

总结近年来国内外高压水射流辅助破岩机理的研究成果。提出简化力学模型,并进行弹性力学和有限元分析,阐述了高压水射流与机械刀具联合破碎岩石的机理与效果。     

水射流辅助破岩机理研究

总结近年来国内外高压水射流辅助破岩机理的研究成果。提出简化力学模型，并进行弹性力学和有限元分析，阐述了高压水射流与机械刀具联合破碎岩石的机理与效果。     

法国高压水射流破岩的研究

法国煤炭研究中心高压水射流研究室对射流破岩进行了较长时间的研究,并将其研究成果应用于露天矿破岩,以及掘进机的破岩,取得了初步成效。一、高压水射流技术高压水射流包括连续水射流、空穴射流、脉冲射流和经过调制的射流等,但后三种射流尚未用于切割岩石。     

水射流辅助破岩机理浅析

概括总结了近年来国内外关于高压水射流辅助破碎岩石机理的研究成果。在此基础上提出了一个简化的力学模型,并进行了弹性力学和有限元分析。最后阐述了利用高压水射流与机械刀具联合破碎岩石的机理是刀具与岩石作用,产生裂纹,高压水射流充填裂纹,形成水楔作用,将裂纹撕开,从而降低了刀具的受力,有效抑制了火花的产生。     

高压水射流破岩技术的特点

本文简要介绍高压水射流发生装置的工作原理和设计制造的技术关键。论述了连续射流和脉冲射流的破岩原理。由于射流压力,横移速度和射距对切槽深度有很大影响,在进行高压水射流设备的设计和操作时,应该注意恰当地控制这些参数。高压水射流破岩的比能比机械破岩法大,这是个缺点,但如果把水射流与机械或热力破岩法相结合,就可以化不利为有利,使比能降低。高压水射流的功率密度大,它在单位时间内可以把巨大的能量输送至工作面,具有很高的潜在钻速。又由于水能灭火和除尘,工作环境比较安全和卫生,对工人身体健康也很有利。     

截齿顺次破岩机制的细观数值模拟及截线间距优化研究

为优化镐型截齿在截割头上的布置以提高掘进机截割效率, 借助PFC^3D颗粒离散元数值模拟软件构建了两把截齿顺次截割岩石的三维模型, 对不同截割深度和截线间距组合工况进行了模拟试验, 分析了镐型截齿顺次破岩机制和最优截线间距与截割深度的比值(s/h)。结果表明, 岩石在截齿作用下的破坏模式以张拉破坏占主导, 并伴随挤压和剪切的综合破坏; 截齿顺次截割时, 两相邻截齿之间存在明显的协同作用, 前刀在岩石内残留的裂纹使得岩石易于截割, 可以提高后刀的截割效率; 在模拟试验范围内, 随着s/h值增加, 比能耗呈先减小再增加的变化规律, 模拟结果表明最优s/h值约为3。该研究可为掘进机截割头排布设计提供参考依据。     

水射流辅助旋转钻机破岩及其新近发展

一、装有水射流的钻机在矿山、采石场或民用工程中,用旋转钻机破岩常常是合适的。然而,岩石的硬度和磨蚀性限制了它的应用范围。对于很硬和磨蚀性很强的岩石,不得不改用冲击式钻机;冲击式钻机安装困难、维修费用较高和噪音很大等问题也是人所共知的。     

掘进机截齿破岩机理分析及截割试验研究

为解决竹林山煤业采用的AS系列的掘进机截齿磨损严重、掘进率低问题,从应力分布、截齿碎岩过程分析了掘进机的破岩机理及截齿被磨损原因、损失情况。将原有的AS系列的掘进机更换成截齿具有堆焊技术的EBZ260W掘进机,通过现场工业性实践表明,截齿表面采用堆焊镍基耐磨涂层后,截齿性能优良,掘进速率高。     

滚筒采煤机高压水射流辅助截煤系统

英格兰威克菲尔德(Wakefild)的明诺瓦生(Minnovation)有限公司,研制成功一种名叫“埃皮坦西克”(Epytensic)的系统。该系统用于产生高压水并输送到滚筒采煤机截割滚筒周边的选定位置处,实观有效的、经济的、安全的高压水射流辅助截煤。     

高压水射流破岩能量耗散与释放机制

从应力-应变角度建立的高压水射流破岩准则,其精确度取决于对屈服应力的表述,由于表达式中不含材料参数,不能精确计算高压水射流破岩参数,而从能量角度建立的岩石强度理论具有更好的适用性和准确性。开展了基于能量耗散和释放机制的高压水射流破岩机理,理论研究了自由射流段速度分布特征,分别计算了等速核区和射流边界层扩展区动能,建立了不同靶距处射流动能计算模型。高压水射流冲击破岩能量表征为冲蚀坑的形成和岩体的体积破坏;射流能量耗散于剪切面的扩展和滑动,储存弹性势能的释放导致岩体的整体体积破坏。根据岩石的统一能量屈服准则,建立了高压水射流破岩能量准则。通过砂岩、灰岩和花岗岩的单轴压缩应力-应变曲线得出3种岩石的材料参数,计算每种岩石的剪切应变能和体积应变能,得出射流破岩临界速度。根据高压水射流冲击破岩实验结果修正了考虑喷嘴流量系数的高压水射流破岩能量准则,该准则能够较为精确的计算射流破岩速度。且岩体的破坏形态证明从能量角度研究破岩机理更为适合。     

结构面特征对截齿侵入破岩影响的数值模拟

采用离散元软件PFC2D建立了结构面抗剪强度试验模型和截齿侵入模型,从结构面间距、结构面倾角和结构面抗剪强度3方面研究结构面特征对镐型截齿侵入破岩过程的影响。模拟过程记录了侵入力、碎屑体积、裂纹类型、数量和方向等信息,从微观角度解释了结构面特征对裂纹扩展的影响规律。模拟结果发现结构面对岩石裂纹扩展具有阻隔和导向作用,有利于裂纹扩展并形成岩屑;侵入过程首先形成拉裂纹为主的压碎区,无结构面时裂纹以拉破坏向深部扩展,而有结构面时裂纹以剪切破坏形式沿结构面扩展;随结构面间距、结构面倾角的增大,碎屑的形成和裂纹扩展所需侵入力随之增大,而结构面强度对碎屑形成和裂纹扩展方向影响较小,仅影响裂纹沿结构面扩展深度。     

截楔刀齿振动切削破岩载荷特性的数值模拟

为研究碟盘刀具在轴向振动和径向切削复合破岩过程中应力的分布情况及载荷特性,以单个截楔刀齿作为等效分析对象,采用ABAQUS软件建立截楔刀齿等效模型,模拟刀齿破岩过程,分析不同结构下刀齿的应力云图和载荷曲线。结果表明:齿尖部分所受应力远大于齿体部分,且齿体与齿尖所受应力最大值均与刀齿楔面角度正相关;楔入深度增加,应力分布区域由齿体向齿尖处集中。径向载荷的峰值和均值均与齿尖等效半径正相关,且大于轴向载荷的峰值和均值;轴向向下载荷峰值与等效半径正相关,向上载荷峰值和径向载荷均值则负相关;轴向载荷均值受等效半径影响较小。该研究为新型破岩刀具的设计提供了理论依据。     

高压电脉冲破岩机理数值模拟研究

高压电脉冲钻井技术目前已成为一种新型高效的岩石破碎方法,同时也是目前钻井提速领域的研究热点。为了推动高压电脉冲的破岩机理研究,建立了单对电极破碎红砂岩的多物理场耦合电击穿二维数值模型,通过电流场、电击穿场和电路场的耦合再现均质红砂岩中等离子体通道的产生,分析了电极倾角、电压、电极间距对岩石电击穿(岩石内部等离子体通道的形成)的影响规律。研究表明：等离子体通道由靠近放电电极顶端局部区域开始萌生,并朝着岩石局部介电强度薄弱处发展;随着加载脉冲电压值的增大,电击穿发生时刻逐步降低,岩石模型的等效失效体积逐渐增大;在保证岩石能被电击穿的前提下,增大电极间距能提高高压电脉冲的破岩效率;放电电极的电极倾角逐步增大的过程中,岩石等效失效体积出现明显的波动,其极值多数出现在电极倾角35°～55°的范围之内。为了进一步推动高压电脉冲破岩的工业化应用,在二维模型基础上构建了红砂岩的多物理场耦合动态电击穿三维数值模型,再现了电极钻头破岩过程中岩石内部破碎坑的状貌;与此同时,选用自主设计的同轴型电脉冲钻头开展了电击穿室内实验,电击穿室内实验结果与仿真实验结果相互印证。     

基于ANSYS的高压水射流破岩过程应力分布研究

建立了高压水射流破碎岩石的有限元计算模型,基于ANSYS软件对高压水射流破岩过程中岩石内部应力的分布规律以及水射流速度对内部应力的影响规律进行了研究。研究结果表明,在射流与岩石冲击接触区域产生的应力最大,然后呈椭圆状向外扩散并逐渐减小;随着水射流冲击速度的增加,岩石内部的应力值也随之急剧增加,因而水射流速度对破岩效果的影响很大,这与实际破碎过程是一致的。     

水射流破岩的机理

在岩石和其它脆性材料的水射流破碎法的研究中,水射流与破碎介质的相互作用仍是须加研究的课题。近来,对射流、混合层、流迹和壁流中紊流度机理的认识发生了重大变化,这与相干结构,即以小规模紊流度为背景产生的准正方形大规模涡流的发现有关,但     

截齿破岩阻力预测方法的对比分析

介绍截齿破岩截割阻力的预测方法,并与实验数据进行对比,以确定各种预测方法的适用条件。N.Bilgin基于非相关截割条件下的切向力预测值和Goktan基于试验数据的修正公式计算值与试验数据基本一致;N.Bilgin和李晓豁对法向力的预测结果在截割深度3 mm条件下基本一致。随着截割深度增加,李晓豁法向力预测值与实验数据偏差较大。对单向抗压强度为30~170MPa的岩石,在不同截深条件下,N.Bilgin的切向力和法向力预测公式以及Goktan的切向力修正公式均适用于采掘设备工作性能数值模拟分析。     

脉冲水射流的破岩压力

本文给出了在煤和岩石上打眼所需的脉冲水射流压力的估计。利用F、J、Heymann的估计冲击波速度的方法,考虑到岩石的破坏应力,体积抗压模量,以及岩石和射流的声阻抗,介绍了孔穴形成和破坏所需的水射流速度的解析确定。本文包含为提供所需的水射流速度,确定脉冲水炮炮筒内压力的方程式。炮筒内压力是在考虑到流体可压缩性和脉冲射流速度损失的情况下确定的。文章也包括为破碎煤和某些库兹巴斯矿层(苏联)以及各种岩石所需的炮筒内压力和射流速度的计算。依靠分析所获得的成果,作者所得的结论是通过改变水炮炮筒内压力脉冲的形状,与实验获得的压力位相比降低破碎煤和岩石所需的压力是可能的。考虑到给出改进水炮炮筒内压力脉冲形成的方法。多次试验结果证明,从能量要求的观点来看,硬而脆的岩石更适宜于用脉冲射流破碎,     

预裂辅助冲击截齿的破煤特性

近年来我国煤炭资源持续性大规模开采,如今国内的整体煤炭开采难度与日俱增,硬质煤层和黏性煤层的比例增加是制约煤炭开采效率的主要因素,而传统机械破煤技术很难实现硬煤、黏煤的高效截割。因此针对传统截齿在硬质和黏性煤岩破煤效果不佳的问题,从煤壁辅助预裂与截割相结合的角度出发,利用理论分析和数值模拟的方法研究了冲击预裂与截齿截割煤岩破碎特性,在综合考虑实际工作中的牵引、回转与冲击运动,提出了截齿运动轨迹模型,建立了预裂辅助冲击截齿的破煤轨迹数学模型,得到了截齿破煤运动轨迹的解析解。并根据分析结果建立了预裂辅助冲击截齿与传统截齿的单截齿滚筒破煤离散元模型,从破煤颗粒实际占比、破煤难易程度、截齿受力波动等角度对两种截齿的破煤特性进行了对比分析。研究结果表明:在破煤颗粒实际占比上,预裂辅助冲击截齿在煤体硬度同为f6时提高了31%,当黏度黏聚力为2.6 MPa时预裂辅助冲击截齿的效率提升接近14%;在破煤难易程度上,预裂辅助冲击截齿在硬度值为f6时可降低50%的破煤难度,当黏度黏聚力为1.88 MPa时,预裂辅助冲击截齿可降低约12%的难度;在截齿受力波动上,预裂辅助冲击截齿在硬质煤或黏性煤均能够减小近7 000 N的力,因此,开展预裂辅助冲击截齿的研究,将有利于破碎硬质和黏性等特殊煤岩介质。