磨料水射流与磨料气体射流破岩压力对比分析

为验证磨料气体射流破岩可行性,对比分析磨料水射流和磨料气体射流破岩效果。理论分析了磨料水射流和磨料气体射流中磨料加速机理,得出磨料动能与磨料水射流和磨料气体射流入口压力之间的数值关系。基于统一强度理论,建立了适用于磨料射流破岩的能量准则,得出了岩石破坏时所需的临界能量。根据磨料加速理论和岩石破坏临界能量计算了岩石破坏临界磨料速度以及所需入口压力。基于理论计算结果,试验验证了磨料水射流和磨料气体射流冲蚀灰岩的破碎效果。结果表明:当磨料速度达到270 m/s时,所需气体射流压力的理论值为15 MPa,水射流压力的理论值为45 MPa;两种磨料射流冲蚀坑形状相同,均呈现"V"型,磨料水射流的冲蚀坑形状相较于磨料气体射流具有"口小","坑深"的特征,磨料气体射流破灰岩形成的冲蚀坑体积要大于磨料水射流。     

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...     

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。     

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。     

磨料射流切割结构陶瓷材料的研究

基于材料冲蚀磨损原理探讨了磨料射流切割结构陶瓷材料机理 ,提出了磨粒单次加载、循环加载及高压水辅助作用下裂纹的萌生、扩展和交汇使陶瓷材料破坏剥落的观点。应用自制的前混合磨料射流切割装置对Al2 O3 结构陶瓷材料进行了单因素切割试验 ,获得了切割性能曲线。     

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。     

微磨料水射流对多晶硅切割的试验研究与模型分析

笔者根据材料冲蚀磨损原理,分析探讨了微磨料水射流切割多晶硅硅锭的机理。并运用后混合微磨料射流切割装置,对多晶硅硅锭进行了单因素切割试验,从而获得了切割性能曲线。研究结果表明,微磨料水射流对多晶硅的切割完全可行,射流压力和横移速度是重要的试验数据。通过对高压磨料水射流切割性能的预测和加工参数的优化,最终建立切割表面质量经验模型,根据模型分析得出射流压力、横移速度与切割质量之间的关系。     

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。     

磨料射流束中磨料能量分布与切口形状的实验模拟研究

在研究磨料水射流对304不锈钢的切削过程中,发现切口形状与射流束中的粒子能量分布有很大关系。通过理论分析和数值模拟得出了粒子在射流束中的压力分布、速度分布和浓度分布规律。分析出射流束中粒子能量为双峰分布,同时通过Fluent仿真发现冲击过程存在水垫效应,磨料射流冲击材料表面时传递的能量是不均匀的,主要分布在距离中心一段距离的环形区域上。     

旋流磨料射流喷嘴磨损机理研究

从喷嘴的材质特性、磨料的特性、射流工作参数、加旋元件结构等方面对旋流磨料射流喷嘴磨损机理进行了分析和研究。结果表明:由于加旋元件的存在,不仅使射流结构带来质的变化,而且会给喷嘴的寿命带来影响。     

煤矿井下危险环境磨料水射流切割技术探讨

对磨料水射流切割特性和机理进行了探讨 ,根据煤矿井下瓦斯爆炸的机理和对各种切割方法进行井下切割的利弊分析 ,说明了利用磨料水射流在煤矿井下进行切割的优点。并结合理论和实践经验 ,设计了适合于煤矿井下高瓦斯环境的磨料水射流切割系统。     

磨料射流钻割一体钻头研制及切割特性研究

详细说明了磨料射流钻割一体压控钻头结构组成及其工作过程,介绍了高压磨料射流切割煤岩原理,通过试验,总结分析了磨料硬度、磨料粒径以及磨料流量对钻头切割性能的影响。     

高压磨料射流在防治煤与瓦斯突出方面的研究与应用

针对郑煤集团大平矿发生特大煤与瓦斯突出事故,研究了高压磨料射流割缝装置及高压磨料射流割缝防突机理,并且在大平矿高突工作面进行了工业性试验。试验结果表明,高压磨料射流割缝技术能避免高突工作面的突出事故,提高了掘进速度,缓解了高突掘进面的采掘接替紧张问题,具有较好的经济效益和社会效益。     

高压磨料射流钻割一体化防突设备的研究

为了解决目前高瓦斯低透气性煤层消突困难的问题,从磨料射流的角度开发出一种新型防突设备.介绍了设备工作原理、设备总成,并通过实验室实验摸索了设备的主要运行参数,得出影响磨料射流割缝效果的主要因素--系统运行压力、割缝时间、磨料硬度及结构不规则程度.为设备进一步优化,提高割缝能力奠定基础.     

高压水射流技术在煤层气开发中的应用研究现状及发展趋势

高压水射流技术是近几十年来发展起来的一项油气采掘增产技术,该技术在煤层气开发增产中具有诸多优势,但由于还并未形成一套完善的技术理论体系,该技术没有得到大面积推广。通过收集水射流技术相关资料,介绍了目前高压水射流破煤机理、喷嘴几何参数、磨料水射流、辅助破煤的研究进展,并对现有研究的不足以及今后的发展趋势进行了阐述。     

前混和磨料水射流切割安全放顶研究

通过对前混合式磨料水射流切割的切割能力及在不同瓦斯条件下的切割安全性进行分析,认为利用前混合式磨料水射流切割技术可以解决目前坚硬及锚杆、锚索等支护顶板放顶难的问题。设计并建立了前混合式磨料水射流切割实验系统及实验方案,分析了切割能力的影响因素。     

前岭煤矿岩浆侵蚀区域瓦斯赋存规律研究

前岭煤矿地质构造复杂,岩浆侵蚀严重,已发生多次煤与瓦斯突出。为有效指导该特殊地质条件下的瓦斯治理,基于矿井地质构造和岩浆岩侵蚀情况,采用实验室测试及现场调查试验研究途径,选择具有代表性的测点,研究复杂地质条件下岩浆岩侵蚀区煤层瓦斯赋存规律。研究结果表明:受上覆岩浆岩热解和变质叠加作用,煤层变质程度增大,区域瓦斯突出判定指标增加;岩浆的高温热解作用,引起了煤层的二次生烃,上覆岩浆岩岩床和向斜轴部低透气性围岩共同对瓦斯的集聚起到了良好的圈闭作用,从而造成向斜轴部瓦斯压力和瓦斯涌出量增加,煤层瓦斯突出危险性增大。