Numerical analysis on coal-breaking process under high pressure water jet

Based on the theory of nonlinear dynamic finite element,the control equation ofcoal and water jet was acquired in the coal breaking process under a water jet.The calculationmodel of coal breaking under a water jet was established;the fluid-structure couplingof water jet and coal was implemented by penalty function and convection calculation.The dynamic process of coal breaking under a water jet was simulated and analyzed bycombining the united fracture criteria of the maximum tensile strain and the maximal shearstrain in the two cases of damage to coal and damage failure to coal.

基于ALE算法的连续水射流破煤特征数值模拟研究

为了探究环境介质对水射流破煤特征的影响规律,采用ALE算法和LS-Dyna软件开展了连续水射流冲击破煤数值模拟研究,分析了淹没/非淹没环境下水射流传播特征、破煤特征,及两者破煤深度关系的时变特征。结果表明:由于水射流损耗较大,淹没环境下射流传播速度远小于非淹没状态下;淹没射流在环境介质的阻碍下发散导致破煤面积增大及深度降低,但损伤单元变化不大;淹没环境下开展破煤造穴时需要合理延长冲击时间或者缩小钻孔间距。

大社矿地面水射流径向水平破煤瓦斯治理技术研究

大社矿东北翼下部盘区及西翼盘区深部开采的2^(#)煤层埋藏较深,瓦斯压力、含量随埋深逐渐增大,掘进、回采过程中瓦斯涌出量较大,传统的井下瓦斯治理方式不能有效解决这一问题,需要试验新的瓦斯治理模式。井下瓦斯治理过程中,经常受瓦斯治理时间、空间局限性影响,瓦斯治理措施落实得不到有效保证,且井下施工过程中存在喷孔造成瓦斯超限的风险,而地面瓦斯治理能够有效地解决该难题。地面瓦斯治理可以对矿井规划采区进行有效的抽采,摆脱井下瓦斯治理的局限性,需要提前对大社矿东北翼下部盘区及西翼盘区深部进行瓦斯治理,地面瓦斯治理能够在不掘进巷道的基础上对盘区瓦斯进行超前治理,而且可以长时间进行抽采,提供安全保障。盘区巷道掘进和回采前进行地面瓦斯治理显得十分必要。

径向水平钻孔直旋混合射流钻头设计与破岩特性

为解决高压水射流径向水平钻孔时孔径和孔深相互矛盾的问题,设计了一种兼具直射流和旋转射流特点的直旋混合射流钻头。给出了射流钻头设计方法,通过破岩实验,分析了直旋混合射流钻头结构对其破岩特性的影响。结果表明,直旋混合射流结合了直射流和旋转射流优点,比锥形喷嘴圆直射流扩孔能力强,比纯旋转射流钻孔深度大。影响直旋混合射流钻头破岩效果的结构参数较多,存在最优破岩效果结构参数,可通过不同参数组合调节破岩钻孔特征。需要进一步开展流场结构与破岩机理分析,为径向水平钻孔中射流钻头的设计提供更好的指导。

多孔喷嘴破岩钻孔特性的实验研究

采用自行研制的实验装置研究了孔数和水力参数(冲蚀时间、喷嘴压降、喷距、围压)对多孔喷嘴破岩效果的影响规律。结果表明:喷嘴孔数越多,成孔形状越圆整;破岩效果随着射流压力的增大而呈线性增加;0围压条件下多孔喷嘴存在获得最大破岩体积和孔深的最优喷距约为5～6倍喷嘴当量直径。在围压条件下,多孔喷嘴破岩效果随着围压的增大而大幅下降;当量喷嘴直径相同时,破岩效果随孔数的增加而减小;在保证钻孔孔径的情况下,减少孔眼数量有利于提高多孔喷嘴破岩效率。实验结果可为超短半径水平钻孔射流钻头设计提供依据。

水力冲孔防突措施的破煤理论分析

为了确定不同硬度的煤在高压水射流破煤时所需的破煤压力,以淮南矿业集团潘三矿和谢桥矿为试验点,通过理论计算把实际用的多喷嘴转化为计算用的当量喷嘴,通过当量直径和流量系数计算出水射流的压力,再扣除管路系统的压力损失就能得出高压水射流的出口压力.再结合矿井的实际条件可知实验煤层的坚固性系数,通过拟合的煤层抗压强度与煤的坚固性系数关系σc=10f就可得出煤的临界抗压强度.从而得出水力冲孔高压水射流所需的破煤压力,理论分析并结合实际考察得出合理的破煤压力取8~15MPa比较合理.

水力冲孔措施研究进展及存在问题分析

论述了水力冲孔卸压增透措施的研究进展,指出了水力冲孔措施所存在的一些问题,并对水力冲孔的研究方向进行展望。结果表明:高压水射流的应用发展为水力冲孔的研究提供坚实基础,现场考察手段能较好检测消突效果及卸压增透范围,数值模拟的运用极大地促进了水力冲孔措施的研究;现阶段对不同类型煤的最佳破煤压力及合理冲出煤量缺少研究,现场考察水力冲孔有效影响半径存在一定误差,且需要大量投资和人力,数值模拟普遍未考虑煤的塑性、煤层渗透率和孔隙率的动态变化;今后应加强水射流破煤机理方面的研究,在考虑煤存在流变特性、扩容膨胀效应和瓦斯吸附解吸特性的基础上,寻求水力冲孔数值模拟计算方法,不断优化模型以及考察精度。

煤层水力自旋转射流钻头设计

高压旋转水射流技术在钻大井径、长连续孔方面具有明显优势,在煤层中钻井又具有高效、节能、钻孔大、成孔规则、破岩效率高等优点,因此在煤层气地面径向水平井技术和井下采空区钻长直井技术中广为应用。主要从理论上分析了旋转射流和射流旋转各自的流动规律、破岩过程及破岩机理,并在此基础上分析了旋转射流钻头各设计参数的取值范围,结合已有的经验值,优化设计了可控外壳旋转内导叶轮、可控中心轴旋转内导叶轮、偏置可控外壳自旋转、偏置可控中心轴自旋转等4种水力旋转式钻扩孔射流钻头。这些钻头适用于在煤层中钻孔及安全排放瓦斯气体。

矿山煤岩破碎方法研究进展及展望

针对采掘装备在煤巷、岩巷工作中截割机构磨损严重、作业效率低等问题,开展了矿山煤岩破碎方法的分析、总结和探索研究。根据煤岩普氏系数将煤岩类型分为煤、半煤岩、硬岩及高硬岩,并针对目前采掘装备在煤巷和半煤岩巷中存在的问题,阐述目前铣削破岩、冲击破岩、滚压破岩及滚拉破岩等机械破岩技术与纯水射流、脉冲射流、空化射流及磨料射流等水射流破岩技术的工作原理及前沿研究现状。首先,针对煤炭开采中因夹矸、硬包裹体煤层硬度大导致采煤机截割机构磨损严重、机械化开采效率低的问题,进行了截齿破碎煤岩机理及性能、截齿磨损机理、滚筒结构创新设计等方面的阐述,指出目前煤层及夹矸煤层应突破煤岩破碎与高效截割机构设计等新技术,以解决煤层安全高效开采的难题;针对半煤岩巷进行了截齿与煤岩互作用力学模型、截齿自旋转减磨截割机理、截割机构截齿布置理论及最优化设计方法等方面的概述,结合半煤岩巷作业效率低、机械刀具磨损严重等问题,从理论、数值模拟和实验等方面分析了各种水射流冲击破岩方法工作原理及研究现状,并指出为提高复杂多变地质条件下半煤岩巷掘进装备的掘进效率,应根据截割工况设计截割机构刀具排列方式,并采用自适应技术规划掘进工作参数、掘进工艺,提高掘进装备系统可靠性、智能化及综掘工艺水平以实现半煤岩巷快速掘进;针对硬岩巷从理论、实验和数值模拟方面进行了滚刀/圆盘刀破岩机理、破岩性能、刀盘设计准则等方面的综述,进行了水射流辅助截齿/钻孔/滚刀/圆盘刀破岩及涨裂辅助破岩技术的总结,提出了液力或者机械涨裂辅助破岩是目前应对硬岩有效的方法,充分利用岩石抗压不抗拉特点实现硬岩的高效经济破碎,结合智能化算法实现钻孔与涨裂的协同作业,实现硬岩巷道的高效掘进。最后,分析了现有破岩技术的优势、劣势及其局限性,并指出了我国矿山硬岩截割技术的未来发展趋势,煤矿机械、非煤矿业机械、盾构机械破岩技术相互融合,机械与非机械多场耦合破岩技术及矿山装备智能化是实现矿山复杂地质条件下煤岩高效破碎的发展方向。

高压气液两相射流多级脉动破煤岩特性及致裂机理

为了提高水射流破煤岩性能和卸压增透效果,通过理论分析建立了高压气液两相射流的冲击动压模型,推导出影响其破煤岩性能的关键参数体系。采用自主研发的高压气液两相射流破煤岩试验系统,研究了关键参数对气液两相射流的破煤岩特性的影响规律,结果表明:与纯水射流相比,气液两相射流破煤岩压力阈值降低约50%,破碎深度增加25%,破碎坑直径是纯水射流的2倍,破煤岩效率提高80%以上。煤岩体破碎是气-液-固三相耦合作用的结果:气体的掺入改变射流的结构,产生局部脉动作用,强化了射流破岩能力;高压液相脉动冲击作用激发裂纹起裂,高压气相的多级溃灭作用促进裂纹扩展;气相多级溃灭与液相脉动冲击交替作用,最终使煤岩体裂隙贯通、破坏。

自进式多孔射流钻头径向水平井钻进能力分析

自进式多孔射流钻头前、后向孔眼参数对径向水平井钻进能力具有重要的影响。通过室内破岩试验研究了多孔射流钻头前向孔眼参数对破岩效果的影响,建立了自进式多孔射流钻头射流反冲力计算模型,研究了后向孔眼参数对射流反冲力的影响。研究结果表明,在试验条件下,破岩体积随着前向孔眼扩散角的增大呈先增大后减小的趋势,随着前向孔眼直径的增大,破岩体积逐渐增大;在相同的后向孔眼当量直径下,射流反冲力与后向孔眼数量无关;随着后向孔眼直径的增大,射流反冲力先增大后减小,射流钻头压降逐渐减小;后向孔眼直径的选择要兼顾射流反冲力和射流钻头压降,以保证射流钻头的自进和破岩效果。

自进式多孔水射流钻头钻孔规律的试验研究

针对现有侧钻水平井技术成本高,工作周期长和经济性差等难题,该文设计了一种采用高压水力射流为破岩主要动力的自进式高压水射流钻头,并对钻头进行了淹没条件下的试验研究,系统分析了在不同射流工作压力、涡轮叶片数目、射流作用时间等条件下自进式高压射流钻头的钻孔特性,给出了射流钻头最适宜钻孔的结构参数。试验结果表明:自进式高压射流钻头与普通射流钻头相比,具有钻孔深,孔径大而规则,工作时稳定性高等优点。同时,在一定范围内,射流工作压力越大,钻孔效果越好;随着涡轮元件叶片数目的增加,钻孔直径呈线性减小,而钻孔深度近似二次曲线增加。考虑到叶片的制造难易程度,叶片数目以4最为合适。该文的研究工作为径向水平井中射流钻头的优化设计提供了科学依据,对提高径向水平井钻孔效率和降低钻井生产成本等有重要的工程实际意义。

旋流自进式钻孔技术在瓦斯抽放中的应用研究

介绍了超短半径径向水平钻井系统的组成、旋流自进式钻头的结构及工作原理;分析了旋流自进式钻孔技术的破岩机理、钻进过程、钻进力、成孔直径和钻进深度。旋流自进式钻头应用于径向水平钻井技术,可以同一垂直孔中在不同煤层内完成多个水平钻孔,大幅度提高了瓦斯的抽放效率。

径向水平井多孔自旋射流喷嘴设计及应用

为了解决目前常规射流喷嘴无法同时实现钻大孔和钻深孔的问题,设计了一种结构简单的多孔自旋射流喷嘴,并利用SIMPLEC算法对其流场进行数值模拟计算,分析了喷嘴的外流场特性,通过室内破岩实验研究了喷嘴的破岩机理,优选了喷嘴的结构参数。结果表明:多孔自旋射流喷嘴的无因次冲击区面积随定位圆半径的增大而增大,随倾斜角的增大而减小,随切向角的增大呈现出先增大后减小的规律。在倾斜角一定的条件下,切向角为16°时,无因次冲击区面积达最大值;在切向角一定的条件下,倾斜角为6°时,射流在冲击壁面形成较大的冲击区和速度较高的漫流区。定位圆半径4 mm、倾斜角6°、切向角16°的多孔自旋射流喷嘴可实现钻大直径深孔的目标,并取得了较好的现场应用效果,可作为一种新型高效的径向水平井射流喷嘴进行推广应用。

利用水射流技术对煤粉进行超细粉碎

分析了自激振荡水射流超细粉碎系统对煤粉颗粒的粉碎机理 ,讨论了影响粉碎效率的几种因素。试验结果表明 ,应用高压水射流技术对煤粉颗粒进行超细粉碎具有较好的应用前景。

水射流径向钻孔关键技术及试验研究

水射流径向钻孔技术是一种低成本微小井眼水平井钻井技术,近几年在国内外得到了广泛应用。在介绍水射流径向钻孔技术发展现状的基础上,对水射流径向钻孔的关键技术进行了研究,研制了相关的井下工具,包括套管钻孔工艺及工具、水力喷射钻进工艺及工具以及相配套的井下转向技术及工具,并进行了室内试验。试验结果表明,对不同壁厚和材质的套管,仅需10~15 min即可钻透;单孔喷头和多孔喷头在一定的压力和流量下都能实现喷射破岩,但多孔喷头喷射破岩效果较好,成孔直径大;用多孔喷头和单孔喷头无法在纯水泥岩样上喷射成孔,而用机械方式钻孔则比较容易。根据试验结果,形成了新的水射流径向钻孔工艺,即“一趟钻钻穿套管和水泥环＋地层喷射”工艺,与原来的“套管钻孔＋水泥环和地层喷射”工艺相比,新工艺提高了水射流径向钻孔的效率和成功率。

钻孔水射流冲击破煤岩特性及机制研究

钻孔水射流增透技术是目前最具发展潜力的一类煤矿智能化瓦斯抽采技术,为了在智能化设计中明确技术参数,针对钻孔环境下水射流的冲击破煤岩特性和机制,分析了影响钻孔水射流破煤岩性能的关键参数,探讨了接触面形状对钻孔水射流破煤岩特性的影响规律,提出了水射流的多层级冲击破煤岩机制。研究结果表明:水射流冲击钻孔形成的破碎深度、破碎直径和破坏时长较冲击平面时分别浅43%、大30%和多1.3倍;水射流对煤岩体的破坏效果是外部射流冲击载荷(动载)和内部孔隙压力载荷(静载)共同作用结果;钻孔内水射流对煤岩体的破坏形式以动静载结合作用为主,射流冲击应力更易传导到煤岩体内部,造成更多裂隙通道,产生更优的卸压增透效果。

高压组合水射流径向多分支钻孔煤层增透技术优化

为了解决目前高瓦斯煤层瓦斯抽放布孔密度大、单孔抽放影响范围小、抽放量少、钻机搬运频繁和工作效率低下等问题,采用高压组合水射流技术,优化设计前、后喷嘴以及转向器;在轴向孔的基础上,实现多个径向分枝子孔抽采技术。研究结果表明:以多组合高压喷头和软管配合破煤岩、转向装置小半径转向,对煤体瞬时施加动能载荷,实现煤岩体动态损伤和裂隙,可以快速提高煤层瓦斯透气性。

水射流钻径向孔用步进式钻进系统的研究

水射流钻径向孔用喷管的前端牵引钻进方式存在自牵引力小,限制了喷管长距离钻进的问题;地面下放钻进方式又存在力传递情况复杂,下放速度波动大,地面难以实现井下钻进速度精确控制等问题。鉴于此,研究了水射流钻径向孔用步进式钻进系统。该系统通过低速钻进控制器实现喷管的低速钻进,通过步进式锚定送进机构保证喷管持续钻进。试验结果表明:该系统可实现喷管在地层中低速(0.5~3.0 mm/s)、大推力(2 k N)、长距离(≥10 m)钻进;该系统的钻进速度与射流破岩速度(0.3~5.0 mm/s)一致,能够使喷管与岩石之间保持较稳定的喷射距离,有利于喷管长距离钻进;在埋藏浅、岩石软、孔隙度大、围压小和温度高的情况下,破岩钻进效率高,反之则较低。研究结果可为喷射钻进技术的进一步研究应用提供一定的参考。

高压水射流技术在煤层气开发中的应用研究现状及发展趋势

高压水射流技术是近几十年来发展起来的一项油气采掘增产技术,该技术在煤层气开发增产中具有诸多优势,但由于还并未形成一套完善的技术理论体系,该技术没有得到大面积推广。通过收集水射流技术相关资料,介绍了目前高压水射流破煤机理、喷嘴几何参数、磨料水射流、辅助破煤的研究进展,并对现有研究的不足以及今后的发展趋势进行了阐述。