煤岩体水射流破碎机理

假设非均质岩体微元的弹性模量和抗压强度均服从Weibull分布,用愈渗理论推导了非均质岩体的水射流破坏准则和水射流破碎非均质岩体的门槛压力;数值模拟了水射流在非均质煤层中的连续钻孔过程;并进行了水射流的破煤实验.研究表明,在水射流作用下,煤岩体中强度较弱的一系列微元首先破坏,形成裂隙.进入裂隙空间的水射流对裂隙发生的水楔作用,使裂隙尖端产生拉应力集中,导致裂隙迅速发展和扩大,裂隙与裂隙连通后使得大块的煤岩体脱落,形成破碎坑.当水射流压力为60 MPa时,煤体破碎距离达到0.5 m以上.

水射流辅助硬质合金钻头切割岩石过程的刀具温度分析

通过对硬质合金钻头切削岩石过程中热量转换、传递过程分析,建立了前刀面的温度方程。根据对水射流与刀片间传热过程的热力学分析分别建立了水射流与刀片表面对流换热微分方程组和热源与刀片间的稳态导热微分方程,推导出水射流对刀片的换热功率表达式和刀片内温度场表达式。研究表明,在无水射流情况下,钻头切削岩石前刀面温度变化与切削速度vq的平方根成正比;水射流的存在可以大幅降低刀具的温度,水射流对刀片的换热功率Φ与射流压力p的四次方根成正比,刀片平均温度的变化与p-1/4成正比。一定条件下的试验结果表明,采用水射流辅助硬质合金钻头切削岩石,当射流大于适当压力,钻头破损程度大幅下降,从而有效地提高钻头寿命。

旋转射流破岩钻孔机理研究

综合利用实验方法和数值模拟技术，研究了旋转射流的结构特性及井底流场分布，证明了旋转射流具有三维速度，且其速度最高部分，集中在离开射流轴心一定半径的一环形区域上，射流呈扩散状，其冲击面积随喷距的增大而大幅度增加。旋转射流破岩钻孔的机理不同于普通圆射流，它以剪切破碎为主，伴以冲蚀、拉伸破坏和磨削等多种形式，因而具有很高的破岩效率。破岩首先从对应着射流能量最高的环形区域开始，并逐步向内、外扩展，形成凸锥状的孔底。

径向水平井直旋混合射流钻头破岩特性

利用水射流破岩钻径向水平微小井眼技术是近年发展起来的开发低渗油气藏和提高原油采收率的新方法,目前各种单一射流尚无法同时实现钻大孔和钻深孔的目的.根据直射流和旋转射流特性,设计出一种兼具直射流与旋转射流优点的直旋混合射流钻头.试验研究了冲蚀时间、驱动压力、喷距和围压等因素对直旋混合射流钻头破岩钻孔特性的影响.结果表明,直旋混合射流钻头所形成的射流兼具直射流和旋转射流特点,具有较好的扩孔能力和较大的钻孔深度,随着围压增加,直旋混合射流破岩能力降低.为径向侧钻微小井眼射流钻头设计提供了一种方案.

旋转射流破岩成孔规律研究

在前期对旋转射流结构特性及流动特性研究的基础上,利用试验的方法研究了射流压力、喷距、岩石的渗透率及强度、添加剂的浓度等因素对旋转射流破岩效率的影响。同时,研究了岩石渗透率对旋转射流和普通圆射流影响的区别。研究结果表明:在同喷距同射流压力条件下,破岩效果随着岩石强度的减小、岩石渗透率的增加而增加;相比而言,岩石的渗透率在射流的破碎效果中起着主要作用;在相同射流压力条件下随着添加剂浓度的增大,岩石的破碎深度、破碎直径和破碎体积都表现出先增大后减小的变化趋势。本试验条件下的最优浓度为200～300mmp,随着渗透率的增大,旋转射流破岩成孔的效果明显优于普通圆射流的破岩成孔的效果。

磨料水射流作用下岩石损伤场的数值模拟

磨料水射流(AWJ)破碎岩石的过程是多相流体与结构物体之间非线性碰撞动力耦合问题,其内部的复杂机制涵盖了诸多方面。基于ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)流-固耦合罚函数算法,从连续损伤力学和细观损伤力学角度出发,建立了磨料水射流冲击破碎岩石模型。研究表明:岩石的破坏主要以冲击破坏为主,破坏具有明显的局部效应,破碎过程以漏斗状交替推进;岩石内部的损伤场以阶段性演化,即分为线弹性阶段、非线性失稳破碎阶段,岩石在射流冲击交替应力的作用下50μs内完全破坏。计算结果与相关文献基本吻合,研究结果对深入研究磨料水射流破岩理论及应用有着重要的学术和现实意义。

自控水力截齿破岩性能仿真及试验研究

基于流体动力学理论,研发一种根据截齿受力自动调节流量的自控水力截齿。基于SPH理论采用LS-DYNA软件对该截齿的破岩特性进行仿真,在单齿截割试验台上对截齿的破岩特性进行试验研究。研究结果表明:随着水射流压力增高,截齿受力减小率逐渐升高;当水射流压力超过岩石的抗压强度时,截齿受力明显降低;随着截深增加,截齿受力减小率逐渐下降,所以,截割截深较浅的岩石更能高效发挥水射流的辅助作用;当截深为5 mm,压力为60 MPa时,截齿受力减小率为30.96%,且截槽更宽,破碎体积更大。

水射流辅助岩石切削过程的刀具热应力分析

建立了刀片在水射流辅助切削岩石过程中的热传导模型,并在对岩石切削过程进行热功转换分析的基础上,给出了热流密度、界面温度等边界条件的确定方法,从而建立了水射流条件下刀片的温度场模型。对刀片由于温度变化产生的热应力进行了系统分析,并给出了热应力的计算模型,并且结合计算分析了射流压力等参数对各种热应力的影响。研究表明:热应力是导致岩石切削刀具失效的主要影响因素。热应力受刀具与岩石材料热物性质、刀片尺寸、切削力、切削速度、射流压力等因素影响。水射流的存在可以大幅降低刀具的热应力,热应力的大小与射流压力p的四次方根的倒数成正比。选择合适参数可将热应力控制在临界范围内,避免刀具早期失效,延长其使用寿命。

切槽对TBM刀具破岩机制的影响研究

高压水射流与机械滚刀相联合破岩技术的出现,改变了传统隧道掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)的作业方式。以高压水射流在滚刀两侧岩体切槽的破岩模式为研究对象,开展常截面滚刀压头贯入不同预切槽深度白砂岩板状试样的试验和数值模拟计算分析,对破裂后图像进行DIC分析,研究发现:切槽的存在,阻断了刀具贯入裂纹的拓展,使能量能够更加集中于压头下方的局部岩石块体,有利于形成“八”字形贯通裂纹,促进岩石的破碎;随着槽深增加,压头下方岩石内部的应力状态和力学响应分区逐渐过渡改变。槽深较大时,压头下方的力学响应区域在原有裂纹扩展区、弹性区之间增加了破坏过渡区,该区域内微裂纹被压密,区域内岩石存在较大变形,但未出现明显破坏;切槽后,滚刀压头下方的岩体破坏机制由无切槽试样挤压剪切为主导的径向裂纹拓展,演变为由刀具和切槽共同控制作用—拉伸剪切为主导的主裂纹扩展。

基于高压水射流分布特性的清洗参数选择

针对高压水射流清洗参数选择简单盲目的问题 ,通过高压水射流动压和流量分布特性以及水射流清洗机理的分析 ,揭示了水射流清洗过程中存在的水射流冲击压力、持续作用时间和能量散布等临界条件要求 ,明确了从工艺参数选择、射流分布特征到清洗效能之间的相关关系 ,为清洗过程分析提供理论依据 ;并基于临界动压与高压水射流动压分布规律 ,推导了最佳靶距和最大清洗宽度估算公式 ;对清洗工作压力、入射角度、清洗靶距、横移速度等清洗工艺参数的选择进行了分析 ;简化并优化了清洗参数选择方法。

旋转锥形磨料射流钻孔性能的研究

介绍了旋转锥形磨料射流的调制方法以及利用其进行钻孔的试验系统 ,分析了旋转锥形磨料射流钻孔的机理 ,研究了加旋元件结构参数以及射流参数对钻孔性能的影响关系 .结果表明 :用旋转锥形磨料射流在普氏硬度 f≈ 4的硬煤试块上进行钻孔 ,可以在喷头不旋转的情况下钻出深孔 ,其直径比喷嘴孔径大 2 0～ 30倍 ,具有较好的钻孔性能 .

高压水射流破碎高围压岩石损伤场的数值模拟

利用ALE(arbitrary lagrange-euler)算法,考虑到一般情况下岩石处于高围压状态,建立了高压水射流冲击高围压岩石的数值模型。分析了高压水射流冲击下高围压岩石的损伤演化过程,指出岩石破碎过程呈阶跃式;通过对比无围压状态下岩石和高围压状态下岩石在高压水射流作用下破碎坑演化情况,指出处于高围压状态下的岩石损伤沿轴向的演化速率明显低于无围压状态下的岩石,沿径向的损伤演化受围压影响较小。通过分析4个典型单元在不同速度射流冲击下损伤演化情况,表明在提高射流速度可明显提高射流破岩效率,并在理论上对射流速度与射流破岩性能的关系进行了解释。

自激振荡脉冲射流破岩效率数值模拟

基于任意拉格朗日-欧拉流固耦合罚函数算法,建立自激振荡脉冲射流破碎岩石的数值计算模型。对比相同工况下的数值模拟结果与实验结果进行模型验证。根据自激振荡脉冲射流的自身运动规律对其破岩过程进行数值模拟,结合岩石岩性分析脉冲振幅和脉冲频率对破岩效率的影响。结果表明:随着脉冲振幅的增大,冲蚀深度先后经历线性快速增长和平缓增长阶段,破岩效率显著提高;岩石的岩性会影响冲蚀深度的增长速率;随着脉冲频率的增大,冲蚀深度表现出先增大后减小最后趋于稳定的变化趋势;自激振荡脉冲射流破岩存在一个最优脉冲频率,该频率下破岩效率显著提高,且不同岩石具备不同的最优脉冲频率。数值模拟方法较好地还原了自激振荡脉冲射流破岩的物理过程,为自激振荡脉冲射流在地下工程领域的应用有一定指导意义。

准直管磨料射流在岩石上切割深槽的研究

为了提高坚硬岩石巷道的掘进速度和质量，提出了将准直管磨料射流用于岩石巷道掘进的新型方案，并讨论了其组成和工作特点，分析了准直管磨料射流装备的结构和工作原理．重点研究了磨料在准直管中的加速过程及准直管结构和工作参数对切割效果的影响．研究表明，准直管长度在０４～３０ｍ范围内磨料射流在岩石上切割效果基本不变，为开发新型的掘进系统提供了初步的理论基础和设计论据．

基于SPH算法的脉冲射流破岩应力波效应数值分析

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法分析脉冲射流破岩的动力学过程,可以很好地避免传统有限元方法(FEM)在处理大变形问题时的网格畸变问题。引入J-H-C模型利用SPH方法建立了脉冲射流破岩的数值计算模型。利用该方法模拟了脉冲射流在破岩过程中应力波的形成、传播及衰减的过程。通过计算分析应力波在时间上和空间上的变化规律,绘出了应力波在传播过程中的波形图,并分析了脉冲射流冲击煤岩的过程中应力波传播的时间及空间特性;另外还发现应力波在不同岩石介质中的传播特性是不同的,对不同岩石的破坏效果也有较大差异,结合岩石材料特性及波的传播特性对计算结果进行了分析解释。数值计算的结果与实际冲击情况相吻合,对脉冲射流破岩的工程应用具有一定的指导意义。

高压水射流切割喷嘴的结构设计和参数优化数值模拟研究

应用FLUENT软件对喷嘴的内外部流场进行数值模拟研究,并对影响喷嘴出口速度和动压的4个主要结构参数进行正交试验,模拟研究结果得出适用于切割的喷嘴结构和优化的结构参数。研究表明:喷嘴的收缩角对喷嘴的性能影响最大,喷嘴出口水平过渡段也是一个重要的影响因素。

喷嘴直径对水射流切割性能影响的实验研究

水射流磨料喷嘴是磨料颗粒加速的关键部位，喷嘴直径对射流有重要影响。通过实验研究了喷嘴直径与射流切割性能的关系。研究结果表明：（1）试件的切口深度和切口宽度随喷嘴直径的减小基本上呈线性减小；（2）同一压力下，减小喷嘴直径会降低射流的切割比能耗；（3）试件在射流移动方向的直线度及切口角的大小均与喷嘴直径无关。在相同压力下，喷嘴直径减少使射流穿透能力降低，从而使切割质量下降；（4）从能耗、节约被加工材料、切割效率和设备投资等多方面因素考虑，对于普通材料切割的喷嘴直径较佳选择为Ф0．6—1．0min，由于喷嘴直径小于Ф0．2mm时射流切割能力显著降低，因此不宜进行Ф0．2mm以下的磨料射流切割。

高压水力脉冲破岩技术的发展及其应用

详细论述了国外高压水脉冲射流破岩新技术的技术装备、工作原理和应用前景。对我国无爆破破岩技术的发展具有一定参考价值。

无爆破劈岩新方法及其进展

简要介绍了国内外近些年发展起来的，主要用于开采工程中的几种无爆破劈岩新方法及其进展，这些方法主要有高压水法，壁裂机法、电能热力法和火焰切割机法．

深宽比、控制道对射流切换性能影响的试验研究

液动射流冲击器是解决深井、硬岩钻进难题的一种有效工具。但是,它存在核心部件易损坏、寿命低等问题。原因在于其内部结构设计不合理,尤其是喷嘴的过水断面设计不合理。解决的办法是增大喷嘴过水断面,而增大喷嘴过水断面势必会影响射流元件切换性能,故有必要进行研究。由于工作室内流体流动非常复杂,因此采用试验的方法。笔者研究了射流元件喷嘴深宽比、控制道对射流切换性能的影响。经试验得出,当深宽比增加,射流切换性能变好;控制道宽度的变化对射流切换性能没有显著影响。