磨料浆体射流冲击岩石动静态应力应变分布研究

发布时间：2020-05-07 09:38

【摘要】：针对复杂地质构造薄煤层开采中存在的工作空间狭小、刀具磨损严重、开采效率低下等难题,课题组提出引入磨料浆体射流技术,联合机械刀具破岩,解决上述开采难题,实现复杂地质薄煤层的安全高效开采。其中,磨料浆体射流破岩机理的研究是基础部分,也是关键部分。为揭示磨料浆体射流破岩机理,本文系统开展了磨料浆体射流冲击岩石应力应变分布研究。主要内容包括:研究磨料浆体射流流场特性,分析了射流和颗粒的速度场和空间分布;在此基础上,建立磨料射流冲击岩石静态应力分布模型,探索在射流冲击下岩石应力集中形式,分析岩石的破碎区域及其破碎方式,并开展磨料浆体射流冲击岩石静态应力分布的数值模拟,验证上述应力分布模型的正确性及可靠性;开展磨料浆体射流破岩动态应变分布的数值模拟研究,运用非接触式全场应变测量系统开展磨料浆体射流破岩动态应变分布测量实验,并从岩石应力波传播规律出发建立动态应变分布数学模型,掌握射流破岩时岩石内部的动态应变分布规律,同时探索动态应变分布的形成原因;最后,开展磨料浆体射流破岩效率研究,掌握射流参数对破岩效率的影响规律,建立了破岩效率预测模型。通过开展上述一系列研究工作,得出了以下主要结论:(1)浆体和磨料的速度变化过程分为喷嘴收缩段的急速加速过程、喷嘴直线段的平稳加速过程以及空气域的缓慢减速过程;射流结构的变化过程分为收敛段、过渡段以及发散段;射流压力对射流速度的影响最大,其次是靶距,高聚物浓度对射流速度的影响最小。(2)磨料浆体射流冲击岩石存在四个应力集中区域:磨料颗粒中心的岩石表面出现压缩应力集中,磨料颗粒边缘的岩石表面出现拉伸应力集中,浆体射流边缘的岩石表面出现拉伸应力集中,颗粒轴线的岩石表面下方出现剪切应力集中;随着浆体射流和磨料颗粒速度的增加,上述四个区域内的应力逐渐增加,其中,最大剪切应力首先超过岩石的抗剪强度,岩石发生剪切失效破碎,此时的速度大约是25m/s;磨料颗粒周围的岩石应力分布由磨料颗粒的冲击作用主导,但随着距离的增加,磨料颗粒的冲击作用产生的影响急剧降低,浆体射流周围的岩石应力分布由射流的冲击作用主导。(3)磨料浆体射流破碎岩石的动态应力分布在空间域内表现为冲击作用在岩石表面产生的应力集中以应力波的形式在岩石内部传播,且随着距离的增加,应力迅速减小;磨料浆体射流破碎岩石的动态应力分布在时间域内存在较大的波动,是由岩石发生破碎的瞬间释放了岩石内部的应力引起的,也证明了岩石的阶跃破碎过程。(4)冲击角度对煤岩的破碎坑宽度有显著性影响;而冲击时间、射流压力和冲击角度对煤岩破碎坑深度有显著性影响;射流压力、冲击角度、冲击时间和高聚物浓度对基于破碎坑宽度破岩效率具有显著性,而冲击时间、射流压力、冲击角度对基于深度破岩效率的影响具有显著性;建立了破碎坑宽度和深度以及基于两者的射流破岩效率的预测模型,量化冲击参数对破岩效率的影响。本文的研究结论能够补充完善磨料射流破岩机理,也可以为磨料浆体射流联合刀具对复杂地质构造薄煤层的安全高效开采提供理论基础,进而推广磨料射流技术在煤炭开采领域的工业化应用,具有重要的学术理论和实际应用价值。
【图文】：

（3）江苏省研究生创新计划项目：磨料浆体射流破岩应力分布研究（项目编号：KYLX16_0522）。1.2 研究背景及意义（Research Background and Significance）我国薄煤层分布广泛，超过 85%以上的矿区均有薄煤层（1.3 米以下），可采储量达 61.5 亿吨，约占煤炭总可采储量的 19%[1-2]。近几年，随着厚与中厚煤层不断地被采掘，全国各矿业集团都面临薄煤层开采的难题[3-5]：1）工作空间狭小，要求开采设备尺寸较小，且性能可靠、适应性强，如图 1-1 所示；2）煤层赋有夹矸、断层等地质构造复杂，煤岩硬度大，导致刀具磨损严重，如图 1-2 所示；3）目前针对地质构造复杂的薄煤层只能用炮采工艺，但其安全性、效率较低。因此，迫切需要一种新技术实现薄煤层的机械化安全高效开采。然而目前，薄煤层开采主要使用滚筒采煤机（图 1-3），依靠安装在滚筒上的截齿与煤壁作用进行采煤，但在狭小空间内难以克服“小机身、大功率”的矛盾，无法应对复杂地质构造（包含硬夹矸、断层以及金属化合物结核等）薄煤层的开采[6-7]。因此，亟需开展薄煤层高效截割基础研究，解决复杂地质构造薄煤层开采难题。

图 1-2 薄煤层的复杂地质构造 图 1-3 薄煤层采煤机滚筒Figure 1-2 Complex geologic structure of the thin seam Figure 1-3 Thin seam shearer dru磨料浆体射流（Abrasive slurry jet, ASJ）具有能量密度高，切割能力强作压力小、适应危险环境作业等特点，在众多的理论与实验研究中已展现出的破岩性能，成为了一种新型的硬岩截割工具[8-11]。因此，将磨料浆体射流引入复杂地质构造薄煤层的开采中，利用磨料浆体射流联合机械刀具进行煤割，可以解决薄煤层采煤设备“小机身、大功率”的矛盾，，从而实现复杂地质薄煤层的安全高效开采。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD311

【参考文献】

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本文编号：2652786