自驱修孔钻头动力参数及钻齿结构研究

自驱修孔钻头是修复失效长钻孔的有效技术手段,为进一步提高修孔速度和瓦斯抽采效果,本文基于射流反冲理论,分析了射流反冲力与喷嘴参数的关系,构建了自驱修孔钻头旋转力学理论模型。采用LS-DYNA开展不同结构钻齿破煤过程,分析了不同钻进压力和扭矩作用下钻齿对煤体破坏形式和钻齿破煤体积变化规律,并开展了破煤实验验证数值模拟结果。形成了自驱修孔钻头参数确定方法,设计了自驱修孔钻头,并在郑煤集团超化煤矿22煤柱面底抽巷进行了工程实验。研究结果表明:(1)喷嘴张角α和偏心角β是决定钻进压力和扭矩分配的关键参数,通过调控张角和偏心角可实现钻进压力和扭矩的最优匹配。(2)相同钻进参数条件下,钻齿结构对破煤体积影响较大,阶梯钻齿破煤效果最优。在钻进压力为120N、扭矩0.6N·m时,阶梯型钻齿结构的修孔钻头能够实现钻进压力和扭矩最优匹配。(3)确定了最优修孔钻头结构参数为:钻头外径28 mm;后置喷嘴张角20°,偏心角90°;前置喷嘴张角90°,偏心角0°。(4)工程应用结果表明:瓦斯抽采纯量提高了1.96倍,瓦斯抽采体积分数提高了3.98倍,修孔速度提高了1.2倍。通过改进钻头动力参数及优化钻齿结构,设计的自驱修孔钻头在工程实践中达到了提高修孔速度和瓦斯抽采效果的目的。

水射流自驱钻头自进能力影响因素研究

管道内流场结构特性是影响自驱钻头自进力和解堵除垢能力的关键因素。针对多股射流共同作用下管道内流场变化影响自进力和返水阻力的问题,基于FLUENT数值分析不同条件下管道内流场变化,得到后置喷嘴角度、转速、环空比和系统压力对自进力的影响规律,揭示综合摩擦因素理论值存在误差的原因,通过正交数值模拟明确自进力影响因素的主次关系。基于自进力测试实验装置,开展不同条件下自进力测试实验,验证数值模拟结果的正确性。结果表明:涡旋挤压碰撞作用和射流卷吸作用导致自驱钻头前后产生压力梯度,从而提高自进力。后置喷嘴倾角由20°增加至45°,壁面射流逆流速度由6.2 m/s增加至14.5 m/s,涡旋碰撞挤压后压力峰值由68.47 kPa增加至80.79 kPa,导致压差力增大。提高转速能够减小一次涡旋范围,当涡旋在旋转体区域发生碰撞挤压时,旋转体所受压差力增加。提高转速、系统压力或减小环空比均会增强后置射流的封隔作用,从而提高自进力。由于理论计算返水阻力时忽略了涡旋区的影响,因此综合摩擦因数理论值需要修正。环空比、系统压力、转速和后置喷嘴倾角的极差分别为300.07、111.87、60.42、36.32,影响因素主次关系为:环空比>系统压力>转速>后置喷嘴倾角。本研究可为自驱钻头结构优化设计、提高自驱钻头的自进力提供参考。

自进式旋转钻头钻孔修复运动方程及关键参数研究

针对自进式旋转钻头依据钻孔修复理论计算长钻孔修孔参数误差大的问题,基于变质量牛顿定律,建立钻孔修复运动方程,得到修复长度和水力参数、钻孔参数、管道参数之间的关系,开展系统阻力测试试验,明确钻孔长度、角度、返水和运动速度对综合摩擦系数k的影响,修正运动方程,通过自进式旋转钻头修孔试验,验证运动方程。结果表明:综合摩擦系数k是运动方程的关键参数;自进式旋转钻头运动过程中,系统阻力随着修复距离增加呈线性增加;返水对钻头和高压软管产生阻力,导致综合摩擦系数k增大;钻头和高压软管在仰孔中运动时,重力的分力成为阻力;钻孔角度和射流压力增加均能导致返水流速增加,使综合摩擦系数k增加;综合摩擦系数k理论值需要用系数0.8进行修正;修正后的运动方程可以较为准确地计算自进式旋转钻头的最大修复距离,修复距离104.7 m时理论值与试验值误差为5.7 m,验证了自进式旋转钻头钻孔修复技术在长钻孔中应用的可行性。

应力对含瓦斯煤解吸特征影响的试验研究

深部开采时地应力的升高和剧烈开采的扰动,容易在采掘工作面形成应力集中区,从而导致应力主导型的突出事故和冲击-瓦斯复合动力灾害发生。为了探索深部开采时应力对含瓦斯煤解吸及涌出特征的影响规律,提高矿井瓦斯灾害治理的精准性,以焦作矿区九里山矿无烟煤为研究对象,利用煤岩三轴渗流-吸附-解吸试验装置进行了不同应力状态下煤样的等温解吸试验和恒吸附压力下的应力解吸响应试验,分析了应力作用对煤的解吸涌出特征的影响规律。研究结果表明:应力直接影响含瓦斯煤的解吸能力,决定应力集中区煤层瓦斯的涌出特征;在吸附等量瓦斯气体的情况下,煤的瓦斯解吸累积量、解吸初始速率均随着应力增加逐渐增大,解吸速率衰减指数随应力增加变化不大但呈现逐渐减小趋势,应力作用促进了煤样的瓦斯解吸;通过恒吸附压力下煤样对不吸附性气体(He)和吸附性气体(CH_(4))应力解吸响应的对比试验,验证了应力作用会明显诱导煤样的解吸行为,导致相同条件下煤样的吸附能力降低;研究结果阐明了应力对含瓦斯煤解吸涌出特征的影响,揭示了应力对煤基质瓦斯解吸的诱导作用,对深部开采煤层瓦斯灾害的防治和煤层气的开采具有理论和工程实践意义。

水力联合机械钻头修复失效钻孔方法及参数

为了高效修复失效瓦斯抽采钻孔,提出了水力联合机械钻头修复失效钻孔的方法.通过构建水力驱动机械钻头旋转力学理论模型与转速公式,理论研究了机械钻头扭矩M、转速n与射流压力p、力臂L、喷嘴直径d的关系;开展了M,n测试试验并确定了理论模型与转速公式的修正系数i,ε;通过对比试验验证了水射流与水力联合机械钻头破煤效果的差异性.结果表明:M值与p,L值呈线性正相关,与d^(2)呈正相关,n值与√p呈正相关;i取0.40,ε值与L值呈线性正相关,与d^(2)呈正相关;在25.00 MPa射流压力下,水力联合机械钻头破煤体积为水射流破煤体积的11.64倍,水力联合机械钻头破煤效果优于水射流破煤效果.在工程应用中水驱动力的合理分配是该方法高效修复钻孔的技术关键.

水力驱动柔性刀具破煤关键参数及实验研究

针对水力冲孔和机械刀臂扩孔增透易塌孔、刀臂收合不畅等问题,提出水力驱动柔性刀具扩孔增透技术思路。理论分析不同压力条件水动力马达扭矩和转速变化规律,建立柔性刀具转动惯量和动能计算模型,确定影响柔性刀具破煤的关键因素。基于自行研制的水力驱动柔性刀具破煤系统,选取赵固二矿煤样,开展扭矩、转速测量实验和不同因素对破煤效率影响实验,确定摩擦损失系数k和b分别为0.67和0.447;研究射流压力、破碎时间和接触长度对柔性刀具破碎质量、平均破碎深度和柔性刀具动能的影响规律,揭示提高破煤效率的关键因素。结果表明:柔性刀具破煤可以分为冲击破坏和磨削破坏2个阶段,其中冲击破坏决定破碎坑体积,而磨削破坏可以为破碎坑体积扩大做前期准备。射流压力对破煤效率影响显著,25 MPa相比10 MPa破碎质量提高11倍,平均破碎深度提高4倍,柔性刀具动能增加3倍。受实际工况限制,适当延长破碎时间对提升破煤效率更有效,接触长度对破碎质量和平均破碎深度的影响规律为先增加后减小并趋于稳定。提出的水力驱动柔性刀具破煤在水力冲孔和机械刀臂扩孔基础上改进,为低透煤层扩孔增透提供了新方法和新思路。