多孔喷嘴破岩钻孔特性的实验研究

采用自行研制的实验装置研究了孔数和水力参数（冲蚀时间、喷嘴压降、喷距、围压）对多孔喷嘴破岩效果的影响规律。结果表明：喷嘴孔数越多,成孔形状越圆整;破岩效果随着射流压力的增大而呈线性增加;0围压条件下多孔喷嘴存在获得最大破岩体积和孔深的最优喷距约为5～6倍喷嘴当量直径。在围压条件下,多孔喷嘴破岩效果随着围压的增大而大幅下...     

超高压磨料水射流工艺参数优化实验研究

为了提升磨料射流的切割效率,通过研制的超高压磨料水射流切割系统开展了不同工艺参数对石灰岩的切割效果研究。结果表明：随着水射流压力的增加,切割深度首先表现为线性增大,然后增速逐渐放缓;最佳磨料流量参数为0.6 kg/min;最佳初始射流靶距为5 mm;磨料射流的切割深度随喷嘴横移速度呈下降趋势;随着射流切割角度的增加,切割深度呈现出“M”型变化趋势,在80°时切割深度达到最大值;基于正交试验进行极差分析,明确工艺参数对切割深度的影响权重由大到小依次为水射流压力、喷嘴横移速度、磨料流量、喷嘴切割角度和射流靶距,得出最佳的切割参数组合为水射流压力400 MPa,磨料流量0.8 kg/min,喷嘴横移速度1 mm/s,射流靶距6 mm,射流切割角度80°。     

高压水射流煤层割缝深度数值模拟与实验研究

高压水射流割缝技术是提高低透气性煤层瓦斯抽采效率的有效措施之一,确定割缝深度是优化钻孔布置和射流参数的基础。基于Fluent软件数值模拟分析了入口压力、靶距、旋转速度对水射流流场特征的影响规律;基于高压水射流破煤实验系统,开展了淹没和非淹没条件下冲击破煤实验,并进行了现场实验。研究表明,喷嘴结构一定时,水射流速度随着入口压力的增大而增加,冲击压力随冲击距离增大而发生衰减;水射流发展过程中截面积逐渐增大,导致冲击压力集中区域的范围随靶距的增大而逐渐扩展;射流旋转会导致旋转方向一侧的应力大于另一侧,靶体表面最大切应力随旋转速度增加而增大;随着入口压力和冲蚀时间的增加,水射流对试样的冲蚀深度增大,但冲蚀深度随冲蚀时间的增加存在阈值。根据高压水射流破煤深度实验结果可知,喷嘴直径为1 mm、压力为30 MPa时,水射流割缝直径可以达到1.2 m。工程应用表明,割缝钻孔平均瓦斯抽采流量为普通钻孔的1.56～2.52倍;抽采16 d后,瓦斯抽采浓度维持在30%以上。     

高压水射流冲孔基本规律的实验研究

采用高压水射流实验系统分别进行水压力、射流靶距、时间等单因素影响实验,分析这些因素对水射流冲孔效果的影响规律。实验结果表明:随着水压力的增加,射孔深度呈线性增加;当喷嘴直径为1.02mm时,水射流的最佳靶距为2mm;高压水射流存在极限射流深度,在此之后,时间增加,其射流孔孔深基本不变;改变时间、靶距以及水压力,试块水射流孔径基本无变化。     

水下跨介质射流破岩性能试验研究

针对水下岩石破碎过程中存在环境阻力大、破岩效率低等问题,提出一种水下气体辅助水射流的跨介质射流破岩新方法。在分析水下气体辅助水射流基本特性的基础上,搭建了可模拟气体辅助水射流破岩试验系统,探究了工作参数和喷嘴结构参数对水下气体辅助水射流破岩性能的影响,结果表明：岩石破碎是由水相水锤压力与气相空泡溃灭微射流共同作用的结果。在研究范围内,气流压力小于0.4 MPa时,气相空泡溃灭微射流引发的岩石破碎对气流压力的变化更敏感,而大于0.4 MPa时,水相水锤压力造成的岩石破碎对气流压力的变化更敏感。外喷嘴收缩段结构的变化对空泡发育的影响与其对射流冲击动压的影响相比较小,增大外喷嘴出口直径,射流的集束性出现先增加而后减小的趋势;随着外喷嘴直线段长度的增加,水下气体辅助水射流中空泡发育程度逐渐增强,但由气、液动量交换和摩擦阻力引起的能量损耗随之增加。与普通淹没射流相比,气体辅助可使得水射流破岩体积最大提高约1.5倍,比能耗则降低40%。随着气流压力的升高,岩石破碎体积先增大后减小,最佳取值为0.4 MPa;延长冲蚀时间,岩石破碎体积随之增加且有逐渐减缓的趋势,冲蚀时间设为30 s可兼顾水下气体辅助...     

淹没高压水射流清洗地浸生产井过滤器的数值分析

采用数值模拟方法, 利用Fluent软件对300 m水深的淹没高压水射流清洗地浸过滤器的流场特性进行分析, 对比了不同喷嘴直径、喷嘴压降、冲击偏角和冲击靶距对污垢的冲击压力、剪应力、有效去污面积等去污指标的影响。结果显示, 喷嘴直径从1.0 mm增至2.0 mm, 射流最大冲击压力、最大径向速度和有效清洗长度分别增加22.15%、27.59%和905.46%;增大喷嘴压降会增强射流冲击压力, 提高射流去污能力;适当增大冲击偏角可以增强靶面剪应力, 冲击偏角 30°左右时去污效果较好;有效去污面积随冲击靶距增加整体呈先增大后减小的趋势。数值仿真分析结果表明, 采用淹没高压水射流去除地浸生产井过滤器上的堵塞物是可行的。分析数据可为清洗喷嘴的设计及清洗工作参数的选取提供一定参考依据。     

正交实验法优化巷道支护架切割参数

介绍了国内巷道金属支护架拆卸回收方法现状及现场拆卸回收遇到的问题,分析水射流应用于巷道支护拆卸回收的技术优势,结合正交实验的特点选取可能影响拆卸回收效果的射流参数,并进行现场试验,实验表明:射流压力和移动速度对巷道支护金属架拆卸回收效果的影响最大,磨料浓度和靶距的影响都相对较小,结合现场拆卸回收情况,射流压力35 MPa,喷嘴横移速度约40 mm/min,切割靶距约10 mm,磨料浓度20%为宜。     

磨料空气射流破煤冲蚀模型研究

进行预抽煤矿瓦斯时,采用水力化增透措施容易出现抱钻、塌孔等现象,降低瓦斯抽采率。为此,提出磨料空气射流破煤增透措施,提高钻孔利用率。为明确磨料空气射流破煤参数,采用ANSYS Fluent软件中的离散相模型对磨料粒子在喷嘴中的加速效果进行了计算,分析了空气压力、磨料密度和磨料粒径对磨料加速的影响,考虑了反弹磨料二次冲蚀作用,建立了磨料空气射流冲蚀能量方程;基于有限元和光滑粒子模型,采用LS-DYNA对磨料空气射流冲蚀煤岩体进行数值模拟,分析了射流扩散角和磨料的形状特性对煤岩体冲蚀的影响规律,建立了磨料空气射流冲蚀能量转化率方程;采用高压磨料空气射流实验系统,使用(Laval)喷嘴,在不同气体压力条件选用标准的180μm石榴石磨料对煤体、砂岩、灰岩和花岗岩进行磨料空气射流冲蚀实验,获取了单位能量破碎体积参数,建立了磨料空气射流冲蚀模型;采用控制变量法,进行磨料空气射流冲蚀灰岩的实验,利用不同影响因素对冲蚀效果的影响实验数据对冲蚀模型进行了修正;进行磨料空气射流冲击煤体实验,验证了冲蚀模型的准确性。对磨料空气射流冲蚀煤体体积模型进行了分析,结果表明影响冲蚀效果的因素权重依次为:气体压力&g...     

后混式高压磨料水射流磨料分布规律分析

为了提高带钢后混式高压磨料水射流除鳞清理效率, 设计了磨料分布测试装置, 以试件表面磨料冲击坑数量来表征磨料在射流横截面上的分布, 研究了靶距和工作压力对磨料在射流横截面上分布的影响。结果表明, 磨料在射流横截面径向的分布服从正态分布规律, 靶距增大会导致磨料分布范围增大, 分布分散化、均匀化, 且磨料的分布范围与靶距成一阶线性关系; 工作压力与磨料的分布范围成正比关系, 且提高工作压力会增大喷嘴混合腔中有效混合的磨料总数。     

管道射流清洗喷嘴流场的数值模拟与分析

以用于矿井主排水管道射流清洗的圆柱形喷嘴为研究对象,利用FLUENT软件对喷嘴内外部流场进行数值模拟,通过改变不同射流压力、不同冲击角、不同环境介质和靶距来分析喷嘴射流的流场特性,得到了流场的射流速度、动压力、靶面所受的打击压力、剪应力等仿真结果。结果表明:靶面所受最大打击压力和剪应力与射流压力呈线性关系变化;冲击角为60°时,射流清洗效果较好;在空气和水两种环境介质下,当靶距增加时射流打击力先增大后减小,不同的射流参数值对应着一个最佳靶距;当射流压力相同时,环境介质为空气的射流清洗能力显著优于环境介质为水的射流。     

淹没水射流关键参数对天然气水合物沉积物冲蚀体积的影响规律研究

高压水射流技术具有工作介质来源广泛与环保等优点,能够用于海底天然气水合物储层破碎。本文运用LS-DYNA有限元程序对淹没状态下高压水射流对海洋天然气水合物沉积物破碎过程进行数值模拟,研究了射流速度、喷嘴直径、靶距、入射角度4项关键参数对含水合物沉积物冲蚀体积的影响,得出以下主要结论:含水合物沉积物破碎需要满足射流速度大于临界流速;随着射流速度的增加冲蚀体积逐渐增大;喷嘴直径的增加会导致沉积物径向冲蚀体积的增大,从而使总体冲蚀体积增大;靶距的增加会使水射流在水域运动过程中能量损失增大,导致冲蚀体积的减小;在喷嘴入射角度增大过程中冲蚀体积先增大后减小最后趋于稳定,当入射角度为10°时冲蚀体积能够达到最大值。     

气液两相射流冲蚀性能的研究

含气率是影响气液两相射流冲蚀性能的关键参数。通过对不同进气压力两相射流的冲蚀性能进行实验研究,分析了射流的冲击力大小与其破碎煤体深度之间的关系。研究表明:气液两相射流的冲击力大小与其破碎煤岩的深度成正比,冲击区内的静压越大,冲蚀能力越强;当进气压力为0.6 MPa时,气液两相射流与纯水射流相比,平均冲蚀能力可提高近28%,有效提高射流破岩效率,降低系统的作业压力,增强系统的安全可靠性。     

煤层气井造穴射流破岩试验研究

通过水射流造穴进行洞穴完井是煤层气井重要的完井方式。为了优选造穴射流工具的喷嘴,提高射流造穴直径和效率,通过制备相似煤岩试样,采用室内试验的方法,进行了连续射流和空化射流的破岩效果试验,并在现场造穴施工中进行了应用。结果表明:自由射流条件下,连续射流在喷距为200 mm时破岩效果最好,空化射流在喷距为300 mm时破岩效果最好。淹没射流条件下,连续射流未能冲蚀煤岩试样;空化射流的冲蚀直径则呈先增加后减小并趋于稳定的状态,在淹没深度为200 mm时冲蚀直径达到最大,冲蚀深度随着淹没深度的增加而增加,在淹没深度为300 mm以后,冲蚀深度趋于稳定缓慢减小。研究结果为造穴射流工具的喷嘴选型及结构优化设计提供了依据。     

气射流破煤连续过程机理与数学模型

针对水力化增透措施在松软低渗煤层应用过程中存在的水封抑制瓦斯解吸和降低煤体渗透率的缺陷,提出高压气射流冲孔破煤增透的技术方法,同时为明确气射流冲孔破煤的特性,基于空气动力学与岩石力学理论,分析了气射流破煤的连续过程机理,推导了连续过程数学模型并建立了破煤能力与破碎坑特征的判识准则。分析认为,高压气体经缩放型喷嘴实现超声速跃迁加速流动;自喷嘴喷出的气流在空气介质的剪切作用下,轴向速度衰减,径向断面扩张;当射流冲击作用于煤体后,产生破碎核和延展裂纹,在拉伸作用下发生失效破坏,形成塑性破碎坑。选取3种不同强度的煤体和1种砂岩进行的气射流破煤规律计算结果表明,当提高喷嘴入口压力和喷嘴直径时,气射流滞止点处压力均不断增大,在低压力入口条件下,气射流可对强度较小的煤体造成冲蚀破坏,当入口压力达到16 MPa时,可实现对砂岩的冲蚀破坏;随着射流压力的提高,冲蚀形成的破碎坑轴向深度和径向长度都不断增大,但轴向深度增加量要远大于径向长度增加量,破碎坑形状由最初的锥形渐变为橄榄球形。     

磨料属性影响高压磨料气体射流破岩效果的理论及实验研究

为明确磨料粒径、密度和速度对磨料气体射流冲蚀率的综合影响规律,采用数值计算方法分析了磨料粒径、磨料密度、气体压力与磨料速度的耦合关系,确定了磨料速度的计算方程;在此基础上,基于弹塑性压痕断裂理论,建立了考虑时间因素的磨料射流冲蚀磨损率的理论计算模型,并利用高压磨料气体射流破岩实验结果对其进行了修正。研究结果表明,在固定气体压力条件下,冲蚀率随磨料粒径、密度的增加先增加后减小;粒径相较于密度对冲蚀率影响更为显著;在气体压力为20 MPa时,常用的磨料种类和粒径中80目石榴石为最优磨料;修正的磨料气体射流冲蚀理论模型数学形式简单,综合考虑了磨料的能量转化效率和磨料的破碎对冲蚀率的影响,与实验结果具有较好的一致性。     

高压水射流冲击压力分布规律的研究

为实现对喷嘴结构和参数的优化,设计更适用于煤层钻孔的高压水射流喷嘴,利用射流冲击压力分布测试装置,对高压水射流冲击压力在射流纵横断面的分布及变化规律进行了实验研究,并对射流冲击压力的分布进行了数值模拟。研究表明:在淹没条件下,随着径向距离的增加,射流冲击压力不断降低,射流颗粒具有的能量越来越小;随着轴向距离的增加,存在等速核区,超过等速核区,射流冲击压力明显降低。     

基于正交实验法切割矿用水泥管道参数探究

介绍了国内矿用水泥管道侧壁打孔方法现状及矿用水泥管道现场施工的技术难题,分析了水射流应用于矿用水泥管道侧壁打孔的技术优势,提出了应用前混合磨料射流打孔方案,结合正交实验的特点并进行现场实验,实验表明:射流压力和靶距对矿用水泥管道侧壁打孔效果的影响最大,喷嘴直径和靶距的影响都相对较小。     

前混合磨料射流切割混凝土的试验研究

叙述了试验装置及为该实验专门制备的混凝土试件等情况，介绍了利用前混合磨料射流切割装置试验研究前混合磨射流切割诸参数（压力、靶距、磨料浓度和横移速度）与切割深度的关系。     

矸石磨料射流冲击煤体的破碎行为及其力学特性研究

创新性提出了矸石磨料射流破煤技术,针对矸石磨料射流冲击破碎煤体动态过程,采用SPH-FEM耦合算法,构建了矸石磨料射流破煤数值模型,研究了破煤过程中应力损伤机制及射流参数对煤体破碎效果的影响规律。研究结果表明：随着射流速度由150 m/s增加到350 m/s,煤体的冲蚀深度和冲蚀纵截面面积近似线性增加,冲蚀宽度先增大后趋于稳定值,冲蚀宽度峰值为5.2 mm;随着射流柱直径的增加,煤体冲蚀宽度和冲蚀纵截面面积不断增大,冲蚀深度缓慢减小;磨料粒径由0.8 mm增加到1.2 mm时,最佳破煤粒径为0.8 mm;当t=2μs时,沿轴向深度和径向宽度方向,所选煤体单元的有效应力依次减小;当t>2μs时,径向上所有煤体单元的有效应力随时间增大而逐渐减小;随着磨料射流不断冲击,轴向煤体单元的有效应力峰值接替出现;沿着径向和轴向,从冲击表面中心到射流远端,损伤失效速率逐渐减小,分别呈瞬时和阶梯形损伤失效特征。研究结果为揭示磨料射流冲蚀破煤行为及其机理提供重要理论支撑。     

水平井套管水射流开窗装置的结构设计

针对油井定向钻孔技术应用于水平井作业中,传统钻铣工艺在套管上无法开窗这一工艺难题,提出水力喷砂射孔的工艺措施。依据材料冲蚀磨损理论和磨料射流切割原理,利用水力喷砂射孔技术切割套管。以Fluent流场分析为基础,对喷嘴的结构进行设计,运用Solidworks软件,对喷嘴及相关部件三维建模与装配,并用Gambit划分网格,使用计算流体力学软件ANSYS CFD对喷嘴及相关部件进行CFD流体力学数值模拟,应用FLUENT模拟仿真,得到现有工况要求下能实现套管开窗的合理喷嘴结构,以及辅助装置。最后得到不同工况下喷孔数目、直径、角度等结构参数。并且FLUENT流体仿真时,分别对压力、靶距、磨料颗粒的大小,浓度进行改变,对各种情况下的模拟开窗效果进行比较,得出最优开窗效果下的各项指标参数。