国外煤矿应用高压水细射流技术的进展

近年来许多国家对高压水细射流技术进行了大量的研究和实验。高压水细射流技术一般可分为连续和脉冲两大类。连续射流由泵或增压器产生;脉冲射流则由“水炮”产生,它是借一自由活塞的冲击将一定量的水从喷咀挤出去。目前连续高压水细射流破煤岩(很硬的花岗岩)的能力,已被很多研究实验所证实。国外在这方面已取得了不少理论和实验成果,有的已从实验室进入现场试验阶段。     

自振脉冲射流预制裂隙对机械刀具破岩过程温度影响特性

针对硬岩巷道掘进过程中机械刀具磨损加剧问题,利用高压水射流破岩系统以及机械刀具截割破岩试验系统,建立评价自激振荡脉冲射流预制裂隙情况下机械刀具破岩性能参数指标,研究了不同自激振荡喷嘴结构参数(振荡腔腔长、截面锥角)以及工作参数(系统压力、横移速度)对机械刀具降载减磨特性的影响规律,分析了自激振荡脉冲射流预制裂缝对机械刀具破岩过程中截割载荷与刀具温度的影响特性,试验结果表明,截割载荷与刀具温度均随射流系统压力的增加而降低,随振荡腔腔长与截面锥角的增加呈先升后降的变化趋势,随横移速度的增大而逐渐增大。相对于无预制裂隙情况下的截割载荷,当系统压力处于30,40,50以及60 MPa时,机械刀具截割载荷减小率分别为15.12%,20.84%,27.01%以及29.24%。当截面锥角分别为90°,120°,140°,160°及180°时,截割载荷受力变化率分别降低了22.87%,27.27%,31.13%,33.82%及29.78%。对于横移速度分别为4,6,8,9及10 m/min的截割载荷变化率分别降低了43.6%,35.3%,32.9%,31.1%及30.7%。当射流系统压力、振荡腔腔长、截面锥角及横移速度分别取50 MPa, 65～75 mm, 140°～160°,6～8 m/min时,自激振荡脉冲射流预制裂隙情况下的机械刀具破岩性能较好。     

聚能射流破岩的数值模拟及其应用

为解决地下矿开采中二次爆破的炸药单耗高,爆能利用率低、对巷道破坏大等问题,提出了聚能射流爆破不合格大块矿石的方案。利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对聚能射流的形成过程进行了数值模拟,模拟了药型罩锥角,药型罩壁厚及普通民用炸药和药型罩材料对聚能射流形成的影响。结果表明,聚能射流速度随锥角增大而减小,药型罩最佳壁厚随着药型罩锥角的增大而增大。进行了聚能射流破碎大块的现场试验,试验证实用较低爆速的民用炸药替代高爆速炸药、塑料药型罩代替金属药型罩可形成有效射流,可满足地下矿二次爆破破碎不合格大块的要求。     

基于正交设计与计算流体动力学模拟的双锥旋流器锥体设计研究

基于正交试验设计与计算流体动力学模拟,研究了双锥旋流器上、下锥段锥角及接口直径变化对旋流器能耗及分离粒度的影响。方差分析结果表明,本研究范围内,这三个锥体结构参数的变化对旋流器能耗基本无影响。小锥角对分离粒度的影响是高度显著的,接口直径对分离粒度的影响是显著的。综合分析可知,随着小锥段锥角变小,上、下锥段接口直径变大,分离粒度将显著减小。此结果可以作为双锥旋流器结构优化的参考。     

基于重整化群RNG k-ε湍流模型的自激振荡脉冲射流元件结构分析

高压水射流是钻井提速的基本技术手段。自激振荡脉冲射流是一种特殊的高压水射流,因其实现元件结构简单、全金属性及充分利用钻井液能量等优点,为深井、超深井钻井提速提供理论依据。基于重整化群RNG k-ε湍流模型,对自激振荡脉冲射流元件的结构参数与射流特性进行数值分析,并通过室内正交实验验证数值分析结果。表明:RNG k-ε湍流模型能够很好地描述射流元件的振荡特性;单一参数分析,当上下啧嘴直径、腔长腔径比和喷嘴锥角比分别为0.75°、0.8°、120°时,自激振荡脉冲射流性能最好;正交参数组合实验各参数对振荡特性影响规律与数值分析一致,最优的参数组合为上下喷嘴直径比为0.75、腔长腔径比0.8、喷嘴锥角为130°。     

自振脉冲喷嘴中异形结构对射流振荡频率的影响

为了提高射流的利用率,通过改变下喷嘴出口形状来增强脉冲射流打击力。基于流体力学和水声学理论,推导出自振脉冲射流振荡频率模型,并采用压力传感器测量喷嘴振荡腔内压力,对自振脉冲喷嘴进行非淹没工况试验研究,对比分析了同等当量面积的圆形和方形喷嘴振荡频率与腔内压力峰值的变化规律。结果表明,两种喷嘴的振荡频率均随腔长增大而减小,随泵压上升而升高;腔内射流压力峰值随腔长的增大呈现先减小后增大的趋势,并且存在一个最佳腔长(约为4.5 mm)。此外,方形喷嘴腔内的射流压力峰值比圆形喷嘴提高约20%。     

基于FLUENT脉冲射流喷嘴流道内轮廓的研究

以自激振荡式脉冲水射流喷嘴为研究对象,应用FLUENT软件分别对具有锥形、三次曲线和双圆弧内轮廓的上喷嘴进行了仿真研究,分析了上喷嘴流道内轮廓形状对脉冲射流特性的影响规律。仿真结果表明,自激脉冲喷嘴上喷嘴的流道内轮廓形状对脉冲射流有很大的影响,当压力较低时,上喷嘴为锥形流道的脉冲喷嘴特性比三次曲线和双圆弧流道好;当压力较高时,上喷嘴为三次曲线流道的脉冲喷嘴特性比双圆弧和锥形好。研究结果还表明,脉冲射流的出口速度与泵压成正比。     

药型罩结构对聚能射流影响的数值模拟

为了研究石油射孔弹聚能装药引爆后药型罩在爆轰波驱动下对聚能射流的影响,通过分析聚能射流形成的机理,利用显式动力有限元分析程序对聚能射流形成过程进行了数值仿真模拟,且针对药型罩的结构参数(锥角、壁厚和形状)对聚能射流的影响分别做了数值计算,分析得到了聚能射流头部速度与药型罩结构参数之间的关系,结果表明,不同锥角装药形成射流时,射流头部形状只存在微小的区别,但头部速度相差较大;同锥角药型罩,随着药型罩壁厚的增加,射流速度反而降低;药型罩为喇叭形时,所形成的金属射流头部速度最高。     

外旋射流破煤成孔过程及煤渣粒径分析

为研究外旋射流成孔过程及破煤后煤渣粒径分布,根据最大拉应变理论和最大切应力理论,分析煤在剪应力和拉应力作用下的破坏准则。基于强度3.65 MPa,弹性模量185 MPa,尺寸1 m×0.8 m×0.8 m的煤相似材料,进行不同泵压下的外旋射流破煤实验;收集煤破坏后的渣体,进行粒径分析实验。结果表明:外旋射流破煤钻进速度与成孔孔径随泵压的增大而增大;在成孔过程中,前向射流破煤成孔,后向射流提供钻进力,煤破坏主要以拉应力破坏和剪应力破坏为主。煤破坏后煤渣粒径分布区间为84～1 061μm,泵压越大,破碎后的煤体粒度越小。     

喷嘴螺旋倾角对雾化性能影响的试验研究

通过试验研究以理解螺旋喷嘴的雾化性能。利用激光粒度分析仪和高速摄像机试验研究了喷雾锥角,喷嘴流量,喷雾射程,粒子速度,雾滴的平均直径(SMD)等性能参数。结果表明,在同一喷射压力下,液体的喷射距离、喷嘴出口雾化角和雾粒的轴向速度都随着喷嘴螺旋倾角的增大而减小,然而,喷嘴流量和雾粒SMD随着喷嘴螺旋倾角的增大而增大。在系统喷射压力为2 MPa时,螺旋倾角对喷嘴流量的影响最小,其减小幅度仅为0.004 L/s;且在距喷嘴口25 cm处,30°螺旋喷嘴在系统压力为3 MPa时,雾粒SMD最小,最小为30.04μm;在系统喷射压力为3 MPa时,螺旋倾角对雾粒轴向速度的影响最大,其速度变化幅度为10.3 m/s。     

掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置的研制与实验

为有效控制由掘进机截割头旋转破碎引发的粉尘污染,基于高压喷雾在涡旋气体射流场中的运动规律及二次雾化破碎特性,研制了一种可以阻隔工作区域高质量浓度粉尘迁移扩散的新型掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置。绘制了包含掘进系统的气动涡旋雾幕控尘装置的比例模型,并通过利用CFD数值模拟软件获得该型设备外部风流场迁移规律和液滴粒子运动规律,以模拟结果为理论基础建立实验平台,并对设备的雾化性能及控尘性能进行了实验测定。模拟结果表明:在环状风筒前端形成了完整旋转风幕,外环高压喷雾受内环高速旋转风流冲击,加剧了液滴的破碎、迁移扩散与捕尘性能。雾化性能实验结果表明:该型设备雾化性能主要由气体射流与高压喷雾的相间速度差决定,喷雾夹角为45°～75°,相间速度差较大,气相射流风速对雾化性能影响占主导地位;喷雾夹角大于75°时,相间干涉减小,喷雾压力占主导地位;随着沿流向方向的距离增大,风速快速衰减,液滴运动趋于稳定。控尘性能实验研究结果表明:当喷雾压力、喷雾夹角不变的情况下,单独提高引射射流风速时,涡旋雾幕前方粉尘捕集较差,全尘和呼尘平均捕集率分别为21.21%和26.24%;而雾幕后方,不同风速下的全尘捕集率分别为84.98%,87.88%和90.70%,呼吸性粉尘捕集率为83.89%,87.87%和88.71%,照比传统高压喷雾表现出更好的控尘性能。     

FLUENT数值模拟法优化射流器结构的研究

射流器广泛用于选矿、石油、食品等行业。抽吸压强是射流器的主要性能指标。影响其抽吸压强的主要因素有面积比、喉管长度、喉嘴形状,喉嘴距以及射流角度等。其中面积比、喉管长度及射流角度是影响泵效率的关键所在。通过对某型号射流器的FLUENT数值模拟,证实了找到最优喉管长度、最佳面积比、最佳射流角度是提高射流器效率的有效途径。     

用于综掘机内喷泡沫的水射流吸液装置研究

综掘机内喷管路弯曲细小,泡沫输送过程中阻力较大,传统的定量泵添加装置无法在煤矿井下环境使用,文丘里添加装置阻力损失大,出口压力较小,无法满足泡沫输送的动力需求。因此研究高出口压力水射流吸液装置具有重要意义。借鉴液体射流泵的原理,利用水射流形成的负压添加发泡剂,对水射流发泡剂添加装置不同结构尺寸下的吸液特性进行了研究。通过数值模拟进行结构参数的初步设计,探明其对流场特性及压力损失的影响规律;实验室实验验证模拟结果的可靠性。结果表明,在现场条件下,喷嘴孔径为3 mm,喷嘴出口与喉管入口距离为2.5 mm,喉管直径为5 mm,喉管长度为30 mm时,吸液效果最佳,压力损失最低,装置稳定性最高,能够满足高输送阻力下的发泡剂稳定添加。     

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...     

高压水射流冲击压力分布规律的研究

为实现对喷嘴结构和参数的优化,设计更适用于煤层钻孔的高压水射流喷嘴,利用射流冲击压力分布测试装置,对高压水射流冲击压力在射流纵横断面的分布及变化规律进行了实验研究,并对射流冲击压力的分布进行了数值模拟。研究表明:在淹没条件下,随着径向距离的增加,射流冲击压力不断降低,射流颗粒具有的能量越来越小;随着轴向距离的增加,存在等速核区,超过等速核区,射流冲击压力明显降低。     

煤矿井下气水喷雾雾化特性实验研究

为了分析煤矿井下气水喷雾雾化特性,基于自行设计的气水喷雾实验平台,采用电磁流量计、空气质量流量计及马尔文实时高速喷雾粒度分析仪对空气雾化喷嘴流量特性、雾化粒度的空间分布规律及影响因素开展了实验研究。结果表明:随着供水压力的增加,喷嘴耗气量以指数形式不断递减,而耗水量以指数形式递增;喷嘴耗气量随供气压力以指数形式递增,而喷嘴耗水量基本呈现线性递减趋势。雾滴粒径沿喷嘴轴线方向不断增大;距离喷嘴较近的纵断面上,雾滴粒径沿径向不断增大,并呈现不对称分布;位于雾流中部的纵断面上,轴线附近区域雾滴粒径沿径向不断增大,而雾流外部区域雾滴粒径呈现沿重力方向增大的趋势;在靠近雾流末端衰减区内,雾滴粒径沿重力方向不断增大。供气压力一定时,雾滴粒径随着供水压力的增加呈现先增大后减小的变化规律,且供气压力越大所对应的拐点水压越高;随着供气压力的增加,雾滴粒径不断减小,且减小幅度随供气压力增加而有所下降。     

内混式空气雾化喷嘴雾化特性及降尘效率研究

为了掌握内混式空气雾化喷嘴喷雾特性及降尘性能,借助自主研发的喷雾降尘实验平台,对内混式空气雾化喷嘴与X旋流型压力喷嘴流量、雾化角、射程、雾滴体积分数、雾滴粒径、雾滴速度等喷雾特性参数及降尘效率进行了实测,并对实验结果作对比分析。结果表明:随着供水压力的增加,内混式空气雾化喷嘴水流量和气流量分别呈指数形式递增和递减,气液质量流量比不断下/2次方成正比。随着供水压力的增加,2种喷嘴的雾化射程、雾滴体积分数及雾滴速度均增大。X旋流型压力喷嘴雾化角明显大于空气雾化喷嘴,其喷雾作用范围更宽;随着供水压力的不断提高,空气雾化喷嘴雾化角呈现先增大后减小的变化规律,而压力喷嘴则一直以较小的幅度不断减小。空气雾化喷嘴由于有压缩空气作为助力,在供水压力较低时能获得较为理想雾滴粒径,且随着供水压力的增大,雾滴粒径不断增大;普通压力喷嘴的雾化粒径随着供水压力的提高而减小,且需在较高的供水压力下才能获得理想的雾滴粒径。在相同的供水压力下,空气雾化喷嘴雾滴粒径和水流量均小于压力喷嘴,而雾滴体积分数、雾滴速度及降尘效率均高于压力喷雾。气水喷雾较压力喷雾具有明显的优势,获得相同的降尘效率,气水喷雾耗水量仅约为压力喷雾的一半。     

高压水射流冲击刚壁压力分布规律研究

为了探讨高压纯水射流和高压磨料射流冲击刚壁时射流冲击压力的分布规律, 利用建立的专用测力工作台, 研究了射流方向与刚壁成90°角时冲击压力的分布规律及靶距、系统工作压力对冲击压力的影响, 并对磨料射流的强化效果进行了分析。结果表明: 射流冲击力随径向距离的增加急速降低, 是一非单调递减阶梯函数, 连接各阶中心冲击力值, 可视其为具非单调负指数下降规律。在靶距不变的情况下, 纯水射流和磨料射流, 其中心(最高压力)位置的冲击压力和系统压力呈正相关。     

超高压射流辅助钻井技术

超高压射流辅助机械钻井能够提高机械钻速和缩短建井周期，目前已研制成功了井下增压泵。