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。

磨料气体射流冲蚀磨损岩石特征分析

磨料气体射流在辅助钻孔和卸压增透时,能够避免塌孔,从而提高采出率。明确磨料气体射流破岩特征是推广磨料气体射流应用的重要理论基础。但目前的磨料气体射流冲蚀磨损模型忽略了反射磨料的作用。为此,开展了不同磨料种类和不同靶距条件下,磨料气体射流冲蚀灰岩实验,采用电镜扫描冲蚀坑不同区域的冲蚀特征进行分析,结合离散元模型分析磨料在冲蚀灰岩过程中的运动轨迹,明确磨料气体射流冲蚀磨损特征以及反射磨料的作用。得出磨料气体射流冲蚀灰岩时,冲蚀坑的形态大致为倒圆锥形,在冲蚀坑底部存在环形平台,环形平台下面为类球体状的冲蚀坑底部。造成这种冲蚀坑形态的主要原因为磨料气体射流流场结构的特殊性,在磨料气体射流轴心和边界处存在环形区域,环形区域内没有磨料存在。轴心处入射磨料是形成类球体的主要因素,磨料反射后趋向环形区域运动,在反射过程中,扩大了类球体和冲蚀坑直径,并形成了环形平台。类球体底部是以入射磨料的冲击应力波导致岩石破坏,类球体侧面是反射磨料造成的多次塑性变形,环形平台处存在入射磨料导致的塑性变形和反射磨料导致的疲劳破坏,冲蚀坑侧面主要以反射磨料产生疲劳破坏为主。磨料硬度对煤岩体冲蚀磨损诱因和磨损破坏特征没有影响。但较硬磨料冲蚀煤岩表面具有更高的粗糙度,同时具有更高的破岩效率。

磨料特性对磨料气体射流破煤影响的实验研究

针对磨料气体射流,基于气固两相流理论分析影响磨料速度的因素,在一定喷嘴结构基础上,通过实验研究磨料特性对破煤效果的影响。通过理论分析发现,影响磨料速度的主要因素有磨料密度和磨料粒径。实验结果表明:在射流压力一定条件下,石英砂、石榴石和棕刚玉3种磨料中棕刚玉破煤深度最大,在80,120,200和280目4种不同目数磨料中,120目磨料破煤效果最优。通过分析磨料特性的影响,得出磨料硬度对破煤的影响最大,其次是磨料密度。开展磨料气体射流破煤实验,确定了磨料气体射流中最优射流靶距为70 mm,最佳破煤磨料为120目的棕刚玉磨料。

磨料形状对磨料气体射流冲蚀性能的影响研究

为明确磨料形状对高压磨料气体射流冲蚀效果的影响规律,基于LS-DYNA数值分析了磨料冲蚀靶体应力分布,根据横向裂纹和纵向裂纹建立了考虑磨料球形度的磨料射流冲蚀体积计算模型;分析了磨料形状的球形度,通过高压磨料气体射流破岩实验得出了磨料形状对冲蚀体积影响规律;对比分析理论计算结果和实验数据,验证计算模型吻合度较高,模型数学形式简单,且具有较好的工程适用性;结合理论分析和实验结果得出,磨料形状对冲蚀效果具有显著影响,随磨料球形度的增大,冲蚀体积呈指数增加;在相同冲蚀粒子数以及冲击动能情况下,磨料粒子球形度越高,棱角越尖锐,冲蚀体积越大。为高压磨料气体射流的磨料优选提供理论依据,冲蚀性能预测提供简易算法。

磨料硬度对磨料气体射流冲蚀磨损的影响（英文）

为了研究磨料硬度对冲蚀效果的影响,开展了相同冲击能量条件下磨料射流冲蚀实验。并通过对比分析冲坑深度,明确了磨料硬度与冲蚀效果之间的关系。研究得出,在相同质量流量、相同粒径条件下,为获得相同冲击能量,密度大的磨料需要较大压力,与硬度无关。磨料粒子冲蚀破坏后,粒径成Weibull分布,且通过最小平方差法得出了四种磨料的形状参数β和Weibull分布函数,其中,β与磨料硬度成二次方关系。通过冲蚀实验,得出磨料硬度与冲蚀深度呈二次方关系。通过计算磨料冲蚀破碎后增加的表面能,得出磨料硬度和表面能成二次方关系,且冲蚀深度和表面能耗能的增幅基本相同。综上所述,当磨料硬度(Ha)和材料硬度(Hm)的比值<2.6时,属于软磨料冲击;当Ha/Hm>3时,属于硬磨料冲击。

基于拉法尔喷嘴的磨料气体射流加速规律研究

为明确磨料气体射流中磨料的加速规律,基于拉法尔喷嘴,使用FLUENT软件数值模拟了气体和磨料在直管段、拉法尔喷嘴内部、自由射流段的加速过程,以及入口压力15 MPa时不同质量流量磨料的加速过程;分析了磨料质量流量与喷嘴出口磨料速度和磨料最大速度的关系。研究结果表明:高压气体的加速主要在喷嘴收敛段和扩张段,自由射流段气体速度波动较大;磨料的加速过程与气体具有相似性,主要加速过程在喷嘴内部,自由射流段磨料加速相对较小;恒定入口压力条件下,磨料质量流量与喷嘴出口的磨料速度和磨料的最大速度呈二次函数关系;拟合得到15 MPa下磨料质量流量与喷嘴出口磨料速度和磨料最大速度的关系式,经验证模拟结果准确度较高。

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。