冲击载荷下含瓦斯煤动力学破坏特征与瓦斯渗流规律分析

为探究不同冲击载荷和瓦斯压力作用下的含瓦斯煤动力学特征、裂隙扩展及瓦斯渗流变化规律,采用含瓦斯煤岩冲击损伤-渗流试验系统开展含瓦斯煤冲击试验以及原位渗流测试,并结合工业CT扫描系统进行试样裂隙结构的三维重构,分析含瓦斯煤内部裂隙扩展特征及其对瓦斯渗流的影响规律。研究结果表明,冲击载荷和瓦斯压力对含瓦斯煤的动力学性质、变形过程、裂隙扩展和渗流规律均具有重要影响,具体表现在:①受围压和轴压的影响,冲击载荷耦合瓦斯压力条件下的含瓦斯煤应力-应变曲线无明显压密阶段;含瓦斯煤的变形过程主要经历了弹性变形阶段、应变强化阶段及破坏阶段。②冲击载荷的增加对含瓦斯煤动力学参数具有强化作用,气体压力的升高则劣化了含瓦斯煤动力学参数;冲击载荷越大,瓦斯压力越高,含瓦斯煤的裂隙扩展愈充分,所形成的裂隙结构愈复杂。③含瓦斯煤的渗流规律受控于裂隙扩展,冲击载荷耦合瓦斯压力作用下,含瓦斯煤中存在孔隙流动、孔隙流动-裂隙流动并存及裂隙流动等3种气体流动形式;含瓦斯煤冲击破坏后,随着气体压力增加以及气楔作用的增强,瓦斯流动形式可由孔隙流动依次转变为孔隙流动-裂隙流动并存和裂隙流动;裂隙扩展和流动形式共同影响含瓦斯煤渗流规律,含瓦斯煤渗透率随瓦斯压力的增大总体上符合先增大后减小的变化趋势。

低压超声速磨料空气射流喷嘴结构

硬岩隧道掘进刀具磨损严重、换刀频繁是限制高效掘进的主要因素,低压磨料空气射流辅助刀具破岩是突破硬岩隧道掘进技术瓶颈的可行性思路,为实现辅助高横移速度刀具破岩,提出了矩形喷嘴。矩形喷嘴能有效提高磨料在移动方向集束性,进而减小切缝宽度,提高切缝深度。为明确矩形喷嘴对磨料加速及破岩的影响规律,采用加长扩张段长度和截面近似等效设计了圆形喷嘴及矩形喷嘴;然后基于数值方法确定了喷嘴扩张段长度对气体及磨料加速的影响,并对比分析了喷嘴不同断面形状对磨料加速和分布特征的影响。最后通过开展低压磨料空气射流冲蚀破碎花岗岩实验,研究了喷嘴结构和横移速度对冲蚀效果的影响,分析了不同断面形状喷嘴的切割效率,确定了适用辅助刀具破岩的最佳喷嘴结构。数值结果表明压力2 MPa时,加长扩张段长度,气固两相能量转化更充分,磨料加速更充分,但随着喷嘴扩张段持续加长,磨料速度提升不明显;相比圆形断面喷嘴,矩形断面喷嘴对磨料加速稍差,但仍能将磨料加速至300 m/s,且经矩形喷嘴加速的磨料在自由流域呈扁平矩形分布,有效提高了磨料在刀具横移方向的集束性。实验表明圆形喷嘴扩张段加长,岩石冲蚀深度不断增加,当扩张段长度为145 mm时,花岗岩冲蚀深度分别为23.90、20.23 mm,扩张段长度持续加长,岩石的冲蚀深度提高并不显著。当横移速度为0.02 m/s时,喷嘴C_(4)、R_(1)、R_(2)切割玄武岩深度分别为3.35、12.15、8.25 mm,花岗岩深度分别为5.2、14.9、11.5 mm;横移速度为0.30 m/s时,喷嘴C_(4)、R_(1)切割玄武岩深度分别为0.8、3.0 mm,花岗岩深度分别为1.0、3.6 mm。对比喷嘴C_(4),和数值模拟结果相同,矩形喷嘴能使磨料聚能、磨料利用充分,切割效率较优。且喷嘴R_(1)的切割效率最好,喷嘴结构最优。研究结论将为磨料空气射流辅助刀具破岩提供理论和技术支撑。

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。

非刀具破岩理论与技术研究进展与趋势

随着我国深地战略的逐步实施,深部资源开采和地下空间建设迎来新的机遇,但也面临诸多挑战,高地应力、高地温和坚硬岩体等极端地质条件层出不穷。岩石破碎技术是所有资源开采和地下空间建设的主要工程活动,是决定施工工艺和工程效率的主要因素。在极端地质条件下,以刀具为基础的岩石破碎技术由于刀具磨损快、岩石破碎效率低,已成为遏制深地战略顺利实施的关键技术瓶颈,为解决深地岩石高效破碎难题,保障深地战略的顺利实施,迫切需求革命性的岩石破碎技术。无刀具破岩技术作为刀具破岩技术的重要补充,是突破刀具破岩技术瓶颈的可行性思路。为此,将无刀具破岩技术归纳为冲击破岩、热应力破岩和冲蚀磨损破岩3类技术体系,系统分析了水射流、激光和磨料空气射流等16种岩石破碎技术,总结了每种技术的发展历史和技术原理,分析了其破岩优势和技术瓶颈。得出,目前非刀具破岩技术没有在资源开采和地下空间建设中广泛应用的主要原因为破岩能耗高、适用较差和技术装备复杂等。相比刀具破岩,非刀具破岩技术破岩能量利用率较低,水射流破岩比能耗为刀具的40~70倍。微波、激光和等离子体等技术对施工环境要求较高,无法适用于钻井、隧道掘进等受限和恶劣环境。为解决极端地质条件岩石破碎难题,提出多种非刀具破岩技术协同破岩的思路,充分发挥每一种非刀具破岩的技术优势,构建了以射流切缝卸除高地应力、粒子冲击体积破碎坚硬岩体的破岩理念,最大限度降低岩石破碎能耗,简化系统装备,为岩石破碎技术向非刀具化发展提供理论支撑。

围压条件下粒子冲击破岩裂隙扩展机理研究

为揭示粒子冲击下围压对岩石裂隙形成及扩展机制的影响,开展了粒子冲击破岩试验和微纳米工业CT(compnted tomography)扫描试验,明确了围压对粒子冲击作用下岩石裂隙扩展特征的影响;并对不同围压条件下的粒子冲击进行数值模拟,分析了岩石的应力场和裂隙场演化过程,揭示了围压影响裂隙扩展的内在机制。结果表明,粒子冲击岩石后,在岩石内部形成破碎区和晶间主裂隙扩展区。压应力导致形成的剪切应力和拉应力是破碎区形成的主要原因,而晶间主裂隙扩展区形成的主要原因是切向衍生拉应力。围压使岩石颗粒间产生预应力,导致切向衍生拉应力需克服颗粒之间的初始压应力才能形成张拉裂隙;围压的增大导致岩石颗粒间剪切裂隙比例和摩擦效应提升,产生相同裂隙数目消耗能量增大,抑制了晶间主裂隙扩展区和破碎区的形成,破碎效果降低。

沸腾床加氢装置用球阀的优化设计及应用

影响沸腾床加氢装置球阀长期安全有效运行的原因主要有开关动作卡涩、开关不到位、球体与阀座流道口被冲蚀等,结合现役球阀的应用工况,通过流体仿真分析以及密封面耐磨冲蚀综合试验,运用理论分析和有限元软件,实现球阀的优化设计,同时对阀门的应用情况进行了解析,给出了球阀安装调试的注意事项,能更好地满足工况条件和使用要求。

麻醉体温保护应用在老年全髋关节置换术腰硬联合麻醉者中对其术后麻醉恢复期的影响分析

目的研讨麻醉体温保护应用对老年全髋关节置换术(Total Hip Replacement,THR)腰硬联合麻醉患者术后麻醉恢复期的影响。方法随机选取于2021年5月—2023年8月武平县医院接受腰硬联合麻醉下THR手术治疗的80例老年患者为研究对象,以随机数表法分为两组,每组40例。对照组予以常规保温干预,观察组基于对照组干预条件开展麻醉体温保护干预,比较两组不同时点的鼓膜温度、术后寒颤发生情况以及患者满意度。结果观察组麻醉90 min(T4)、麻醉120 min(T5)以及返回病房1 h(T6)时的鼓膜温度均高于对照组,差异有统计学意义(P均<0.05)。观察组术后寒颤总发生率(5.00%)低于对照组(22.50%),差异有统计学意义(χ^(2)=5.164,P<0.05)。观察组总满意度(95.00%)高于对照组(80.00%),差异有统计学意义(χ^(2)=4.114,P<0.05)。结论麻醉体温保护能够有效提升老年THR腰硬联合麻醉患者的鼓膜温度,减少术后寒颤发生,并提高患者满意度。

磨料质量分数对预混合磨料水射流破岩效果的影响

预混合磨料水射流是突破煤矿深长钻孔内高效破煤岩技术瓶颈的有效技术,在坚硬顶板治理、沿空留巷和硬煤增透具有广泛应用前景。磨料质量分数是影响其破煤岩效果的重要因素。为明确磨料质量分数对磨料加速、分布以及冲击动能的影响,基于离散元的耦合模型(CFD-DEM模型),考虑颗粒间的摩擦、碰撞,添加颗粒相体积分数和动量源相,修正VOF多相流模型,开发用户自定义函数(UDF)通信接口,精确计算了磨料质量分数对磨料颗粒加速运动与分布的影响,准确描述了磨料粒子对水射流流场的影响。结合预混合磨料水射流破岩实验,得到了以下结论:在固定压力下,不同磨料质量分数的射流液固能量转化效率不同,导致磨料冲击动能不同。提高磨料质量分数,能够提高破煤岩效果,但存在最优值。每一压力条件下都有与之相适配的最优质量分数,此质量分数下能量转化效率最高,磨料冲击动能最大。如射流压力5 MPa时,80目(0.178 mm)石榴石最优质量分数为11%。同一质量分数下,提高射流压力可提高磨料冲击动能,但是能量转化率和利用率降低。提高压力使射流速度增加,曳力增大,但射流与磨料接触时间缩短,导致射流能量未能及时转化为磨料动能。相较于提高射流压力,适当增加磨料质量分数以提高能量转化效率和能量利用率,是达到最佳破煤岩效果的更经济低能耗的方式。

气体性质和孔隙压力对煤体微裂隙扩展的影响

利用工业CT扫描系统,观测不同气体压力条件下煤体内部微裂隙萌生扩展特点,为揭示煤层瓦斯流动产出控制因素提供新的依据。结果表明:非吸附性气体作用下,随孔隙压力的升高,煤体内部微裂隙的萌生和扩展愈加明显,裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐减小,符合气体压力影响下的裂隙扩展方程,微裂隙扩展主要受控于应力集中效应和煤基质收缩效应。吸附性气体作用下,随吸附时间的延长,煤体内部微裂隙的萌生和扩展则越来越显著,直至扩展平衡;裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐变小,符合吸附时间影响下的裂隙扩展方程;裂隙扩展主要受应力集中效应、煤基质收缩效应、蚀损作用和劣化机制影响;吸附压力越大,煤体所需的吸附平衡时间愈长;微裂隙扩展平衡时间长于气体吸附平衡时间,裂隙扩展具有明显的滞后性。

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。

不同冲击速度下含气砂岩损伤−渗流特性试验研究

为探究不同冲击载荷作用下含气砂岩冲击损伤特征和渗透性规律,利用含瓦斯煤岩冲击损伤−渗流试验系统和工业显微CT扫描系统,设计并开展了三轴预应力状态下不同冲击速度加载的动态压缩−原位渗流试验,重构了受冲击损伤砂岩的三维裂隙结构,对比分析了固−气耦合试样不同冲击速度加载下的动态应力−应变曲线特征、能量耗散规律、破坏损伤和渗透性演变特征。研究结果表明:含气砂岩的应变率随冲击速度的增加而增加,入射波能、反射波能、透射波能和吸收能也随之逐渐增大。含气砂岩的峰值应力和峰值应变也随冲击速度的提升而逐渐增大,且动态应力−应变曲线的压密阶段不断被压缩直至完全消失。三轴固−气耦合动态冲击条件下,含气砂岩的破坏形式以剪切破坏为主;随着冲击速度的递增,冲击载荷与气体压力联合作用下含气砂岩内部的张拉裂隙数量不断增加,新生裂隙相互连接促使了宏观贯通裂隙的形成;泊松比效应和偏心压缩作用使砂岩上分别形成了沿试样轴向方向延伸和垂直于轴向方向延伸2种张拉裂隙,2种裂隙在试样外沿相互连通,呈现出网格状。含气砂岩的吸收能量直接决定了其损伤程度,吸收能量的不断增加,不仅加大了含气砂岩破坏后的损伤程度,也大幅提高了含气砂岩的渗透性;冲击受损破坏之后的含气砂岩渗透率与其裂隙率遵循线性正相关关系。

岩弹冲击破岩规律试验研究

针对深部岩层掘进过程中钻具磨损快、掘进效率低等问题,基于粒子冲击破岩技术,提出采用高压气体驱动加速岩弹冲击预裂掘进面岩体,减少钻具磨损。通过SHPB试验和三维扫描试验,测试岩石破坏吸收能和新增表面积,构建岩石冲击破坏吸收能理论模型;采用自主研制的岩弹冲击破岩试验装置研究了气体压力、岩弹质量及岩性对破岩效果的影响。形成了以下结论:基于实测岩石破坏吸收能和新增表面积,得出试验花岗岩岩样比表面自由能γs为6.34 mJ/mm^(2);增大气体压力能够有效提高岩弹冲击动能,使花岗岩吸收能和新增表面积增大,同时岩弹破碎和弹射耗散能随之提高,岩弹冲击动能转化为花岗岩破坏吸收能效率降低;吸收能与岩弹质量和动能乘积成幂次方关系,保持气压不变,增大岩弹质量可在一定范围内提高岩弹冲击动能和花岗岩破坏吸收能,提升破坏效果。但过多提高岩弹质量,导致其动能降低,从而使吸收能转化效率降低。不同岩性的岩石比表面自由能不同,但气体压力、岩弹质量对不同岩性岩石冲击破坏效果的影响基本一致。研究结论为硬岩辅助掘进提供理论和技术支撑。

煤层瓦斯多机制流固耦合模型与瓦斯抽采数值模拟分析

为了更好地揭示瓦斯抽采过程中松软低透气性煤层瓦斯运移的本质和规律,基于孔隙-裂隙双重介质的假设,建立了全面考虑有效应力、煤层瓦斯多机制流动、真实气体效应和迂曲度影响的煤层瓦斯多机制流固耦合模型。基于所建理论模型,以郑煤集团(河南)白坪煤业有限公司13181工作面为工程背景,利用COMSOL软件开展煤层瓦斯抽采数值模拟,全面分析了瓦斯压力随抽采时间的动态分布规律,结合现场实测结果验证了数值模拟有效抽采半径的准确性。系统开展了不考虑Klinkenberg效应、不考虑基质瓦斯扩散和不考虑煤层瓦斯多机制流动影响的瓦斯抽采数值模拟,对比分析了不同控制因素对煤层瓦斯运移的影响。研究结果表明:抽采结束后,煤层瓦斯压力以抽采钻孔为中心呈椭圆分布;煤层瓦斯压力和有效抽采半径的变化幅度随抽采时间逐渐减小,并趋于稳定;煤层瓦斯有效抽采半径的数值模拟结果与现场实测结果之间的平均误差为3.65%,验证了所建煤层瓦斯多机制流固耦合模型的有效性与合理性;与考虑煤层瓦斯多机制流动影响的模拟结果相比,不考虑Klinkenberg效应的有效抽采半径和渗透率偏小,而不考虑基质瓦斯扩散和瓦斯多机制流动的有效抽采半径和渗透率则明显偏大,表明Klinkenberg效应和基质瓦斯扩散对煤层瓦斯流动分别起促进和抑制之作用。

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。

低频振动激励含瓦斯煤孔裂隙变化特征研究

为了探明低频振动激励对煤体孔裂隙特征的改造机制,采用工业显微CT扫描和低场核磁共振设备开展低频振动前后煤体孔裂隙扫描实验,测试不同振动激励频率下煤体的孔裂隙特征参数。研究结果表明:低频振动激励前后煤体的裂隙度和孔隙度均呈现上升趋势,煤岩内部裂隙发育特征呈现一致性,振动激励的改造效果集中在对大尺寸裂隙的改造,即对原生孔缝发育的改造效果更好;低频振动激励能增加煤体内部结构的复杂性与非均质性,能有效促进孔裂隙的发育;低频振动激励对煤体孔隙改造作用集中在煤体的中孔与大孔,且当激振频率处在共振频带时,上述规律均显著增强。研究结果可为含瓦斯煤的孔裂隙改造提供参考。

基于层理和煤阶影响的煤体固有频率特征研究

为探明振动波激励煤体共振增渗技术的优势频率,采用自主搭建的煤体固有频率测试试验系统,依据敲击法测试原理对高、中、低3种不同煤阶的正方体干燥煤样进行三维面固有频率测试和分析。结果表明:汉宁窗较适合煤体振动信号FFT分析,可以准确识别频谱峰值所对应的频率,从而直接得出煤体的固有频率;力锤敲击力度只影响振动信号加速度幅值大小,对煤体固有频率变化无影响;同一煤样平行于层理面的固有频率大于垂直于层理面的,且垂直于层理两个面的固有频率略有差异;受煤基质、矿物质含量等因素影响,高、中、低3种不同煤阶煤样的力学性质不同,这是造成不同煤阶煤体固有频率差异性的主要原因。研究结果可为振动波激励煤体共振增渗技术应用提供理论依据。

基于DE-RBF混合优化算法的微电网自适应下垂控制策略

孤岛微电网因线路阻抗各异,采用传统下垂控制无法实现功率按分布式电源容量比例分配,会产生电压/频率偏差。为此,提出一种基于DE-RBF混合优化算法的自适应下垂控制策略。首先,构建下垂控制的两逆变器并联微电网系统动态模型,应用差分进化(differential evolution,DE)算法获得多个平衡点的优化下垂控制参数。为提高系统的动态响应速度与稳定性,通过训练径向基(radial basis function,RBF)神经网络,对每个平衡点参数进行校正。进而,通过增加RBF神经网络的隐含层数量,推广至多个逆变器并联微电网。以采集的有功功率和无功功率作为训练数据,输出最优下垂系数,实现微电网的自适应下垂控制。最后,搭建Matlab/Simulink仿真平台,验证了所提自适应下垂控制方法相比于传统下垂控制,系统响应速度快,功率按照分布式电源容量比例分配。

人工智能在城市治理数字化转型中的探索与实践

近些年来,我国人工智能技术在数字城市相关的运行、管理和服务等领域逐渐推广应用,推动城市治理从数字化、网络化向智能化转变。在此背景下,通过对人工智能在城市治理数字化转型中的应用研究和效果分析,得出运用人工智能对提升城市治理水平、推动治理模式转变和推进城市治理数字化转型的实现具有深远意义。

微生物菌群的甲烷氧化效能及吸附煤体特性

甲烷氧化菌以消耗甲烷为能量来源,在环境甲烷减排方面具有广泛的应用价值,但在煤矿井下的应用研究仍处于起步阶段。为促进微生物技术在煤矿中的应用,提高煤层甲烷的治理效果,从自然界环境中筛选驯化出微生物菌群,借助实验培养装置监测了生长过程中菌液的微环境变化和气体消耗特征,并采用接触角测试装置和理论分析,考察了纯水、培养基和菌液在不同煤样表面的接触角动态变化,最后结合傅里叶红外光谱测试(FTIR)分析了取自山西沁城煤矿的无烟煤(QC)和取自河南新安煤矿的焦煤(XA)中矿物质对润湿角的影响规律。研究结果表明:①所筛选的微生物菌群具有较强的甲烷氧化特性,两组实验结果表明15天内甲烷降解率可达71.19%和84.63%,氧气降低率可达100%;②菌液中微生物生长密度OD600值增大30倍,在第6~8天内生长最为旺盛,菌液pH值由6.32上升至7.25,ORP则由210 mV下降至93 mV;③较之于纯水和培养基,菌液在煤体表面具有较强的润湿能力,在两种煤样表面的平衡接触角最小,XA煤样中含亲水性矿物较多,3种溶液的平衡接触角均小于QC煤样。结论认为,甲烷氧化菌群在煤矿井下具有较高的适应能力和应用价值,说明微生物技术在煤矿甲烷防治方面具有一定的优势,对煤矿安全生产具有重要意义。

后混合磨料空气射流喷嘴结构优化及破煤效果研究

水力化卸压增透技术在煤层瓦斯灾害治理中发挥了重要作用,但在松软煤层中应用时容易导致塌孔、抱钻和喷孔等动力现象。无水化卸压增透是突破松软煤层瓦斯高效抽采技术瓶颈的可行性技术之一。为此,利用磨料空气射流高效破煤岩能力,提出后混合磨料空气射流破煤卸压技术,采用磨料-空气分离输送的双通道方式,将磨料和空气运送至孔底,采用射流泵-拉法尔耦合的后混合喷嘴结构在孔底对磨料进行引射、混合和加速,使磨料具备高冲击动能,实现高效破煤。基于ANSYSFLUENT气固两相流模型,分析后混合喷嘴内磨料引射、混合和加速规律,研究磨料颗粒在加速过程中的受力,获得混合磨料空气射流高效破煤最优后混合喷嘴结构;并开展后混合磨料气体射流破煤实验验证破煤性能。结果表明:磨料冲击动能决定于后混合喷嘴的引射能力和加速能力。后混合喷嘴的引射能力与引射喷嘴的喷嘴出口直径和其扩张段长度有关,合理的引射喷嘴出口直径有助于减小喷嘴出口气流波动,扩张段长度则会影响喷嘴出口气流速度,在本文条件下,引射喷嘴采用两段式,其中收缩段长度2 mm,喉部直径2 mm,扩张段长度5 mm,喷嘴出口直径为3 mm。加速结构对磨料的加速效果主要取决于加速喷嘴的膨胀比,膨胀比为1的喷嘴内部气流使磨料颗粒所受合力较大,且加速喷嘴外部磨料所受曳力、压力梯度力和虚拟质量力波动范围较小,磨料加速效果明显,在膨胀比为1条件下,设计加速喷嘴收缩管长度4 mm、出口直径7.73 mm、喉管长度40 mm、扩张管长度为15 mm。按照优化后的喷嘴结构进行破煤能力实验,在引射压力为4 MPa,靶距60 cm,磨料质量流量50 g/s,进行冲蚀实验,冲蚀30 s,优化的后混合喷嘴结构对煤块产生了直径约10 cm,深度约5 cm的冲蚀坑,证明了在设计的最优后混合喷嘴结构参数下系统具有较好的破煤效果,具有工程应用的能力。