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。

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>扩散角>磨料密度>磨料粒径>磨料形状;磨料空气射流破煤的最优射流参数为180μm石榴石、气体压力15 MPa、扩散角10.52°。在进行模型建立过程中,未将受压条件放入模型中,今后将会进行相关实验,把受压条件作为修正系数,进一步完善该冲蚀模型。

围压对磨料空气射流破煤深度的影响研究

考虑水力化破煤增透措施存在一定技术漏洞以及适用条件制约了水力化措施的发展,利用磨料空气射流破煤增透可以弥补水力化措施的不足。为了明确加载围压对磨料空气射流破煤深度的影响,首先在分析围压对压痕力作用效果影响的基础上,将压痕断裂理论推广至围压条件下的压痕断裂理论,再利用推广后的理论,建立磨料与靶体参数-压痕力-压痕大小-横向裂纹大小和深度-撞击坑的大小和深度之间的因果关系,然后考虑围压对压痕大小的影响以及压痕与煤体撞击坑深度的关系,建立破煤深度模型,进行压痕测试、撞击坑形貌测试以及破煤深度测试实验,对建立的模型进行验证。结果表明,加载围压:一方面减小煤体的弹性变形,使相同压痕力造成的压痕变小;另一方面由于压痕面的存在使得压痕面对磨料产生一个向上的作用力,减弱压痕力的作用,使压痕大小进一步减小。压痕的减小则导致撞击坑变小;围压对破煤深度影响是通过减小每一个磨料颗粒的撞击效果实现;加载围压越大,煤体形成的压痕和撞击坑越小,以至于形成较小的表面形貌粗糙度,同时形成了较小的破煤深度和质量损失。建立的破煤深度模型,可利用未加载围压煤体的破煤深度,较为准确地计算不同围压条件下的磨料空气射流破煤深度。

微磨料空气射流加工玻璃微流道结构研究

采用微磨料气射流加工技术(MAJM),对普通硅酸盐玻璃进行微流道槽加工。对通过掩膜加工与非掩膜加工效果相比较,得出在掩膜加工过程中,由于磨料的二次反弹冲蚀作用,所加工出的槽,槽壁较陡;在掩膜加工过程中,改变喷射距离、喷射压力、喷嘴移动速度和磨料流量四个加工参数,对加工槽的轮廓、加工过程中的材料去除率、磨料的流量效应进行研究,得出当喷射距离为4 mm,喷射压力为0.5 MPa,喷嘴移动速度为1.0 mm/s,磨料流量为0.117 g/s时,加工效果最好。通过倾斜喷射与掩膜加工相结合,研究了磨料磨粒的二次反弹冲蚀现象,为复杂三维微结构的加工,提供了一种新方法。

低压磨料空气射流破硬岩规律及特征实验研究

针对坚硬围岩巷道和隧道的掘进效率低、钻具损耗快等问题,提出低压磨料空气射流辅助破硬岩技术思路。采用Fluent-EDEM数值分析不同压力条件空气射流流场结构和磨料加速机制,确定影响磨料加速的关键因素。基于自行研制的磨料空气射流破煤岩系统,研究射流压力、磨料质量流量和冲蚀时间对冲蚀破碎花岗岩效果的影响规律,明确提高破岩效率的关键因素。采用扫描电镜对花岗岩冲蚀坑进行了形貌分析,揭示低压磨料空气射流破硬岩机制。形成了以下主要结论:在压力2 MPa时,射流可达543 m/s,能够将磨料加速至130 m/s,具备冲蚀破坏硬岩的能力。增大气固两相速度差,提高颗粒所受曳力和虚拟质量力是提高磨料速度的关键。相比于提高压力,提高磨料质量流量和冲蚀时间更能提升破岩效率。入射磨料主要以冲击应力波和反复塑性变形使岩石表面产生裂纹和唇状边缘冲蚀坑,反射磨料以剪应力的形式使冲蚀坑壁面产生微裂纹,形成片状断裂裂纹。低压磨料空气射流破岩机制与高压条件下相同,从理论上验证了低压磨料空气射流破硬岩的可行性。