高压脉冲射流辅助机械冲击破岩性能研究

发布时间：2020-07-02 07:29

【摘要】：为实现深层、复杂地层坚硬煤岩的安全高效开采,提高机械冲击破岩效率和能力,降低机械球齿磨损。利用高压水射流低温冲击等特点,将高压脉冲射流破岩技术融入机械冲击破岩,提出高压脉冲射流辅助机械冲击破岩方式。本文采用理论分析、试验和仿真相结合的方法,对高压脉冲射流辅助机械冲击破岩性能进行研究。以布希涅斯克问题为基础,对岩石在冲击载荷作用下应力进行分析,建立岩石受到集中力条件下内部单元的应力数学模型。根据弹性力学和强度理论,对锥形齿和球形齿冲击破岩进行力学分析。依据冲击动力学,分析了水射流冲击破岩过程,并根据波动力学,分析了水射流在岩石内部引起的动应力。基于应力构造理论,对水射流辅助机械冲击条件下岩石内部形成的应力叠加进行分析。利用计算流体力学方法,研究不同喷嘴内部流道结构对高压射流速度场和压力场的影响,表明合适的喷嘴类型为锥直型喷嘴。利用流固耦合方法建立了高压射流生成仿真模型,研究不同冲击能、喷嘴直径、蓄水腔内液面高度以及蓄水腔直径对高压脉冲射流的压力、速度等影响规律。在坚硬岩石本构模型基础上建立高压射流冲击破岩模型,对射流速度、射流直径以及脉冲频率等影响高压脉冲射流冲破岩性能的因素进行研究,确定各因素对于高压脉冲射流冲破岩性能的影响规律,仿真和试验结果基本一致,说明所建水射流破岩模型的正确性与可靠性。对影响机械冲击破岩性能的齿形、冲击能、齿边距等参数进行试验研究,掌握了相关参数对机械冲击破岩体积、深度、比能耗等性能指标的影响规律,并对双齿条件下破岩性能进行试验分析,给出了优选的双齿中心距。采用显示有限元法建立机械冲击破岩仿真模型,研究机械冲击载荷下岩石的微观破碎,数值模拟和试验结果相一致,证实采用所建机械冲击破岩模型具有可行性和正确性。对高压脉冲射流与机械冲击破岩过程中冲击力进行分析,得到冲击锤初始速度对机械冲击力的影响规律,射流冲击力与冲击锤初始速度、射流流量和射流变化角的变化关系。采用流固耦合方法建立高压射流辅助球齿冲击破岩仿真模型,研究高压脉冲射流辅助机械冲破岩性能,对影响高压脉冲射流辅助机械冲击性能的射流和球形齿中心距、射流数量、射流角度进行研究,给出了优选的脉冲射流辅助机械球齿冲击破岩参数,证实脉冲射流辅助作用可以明显降低机械球齿的接触应力,增大岩石损伤破坏深度,极大地改善了机械冲击破岩条件。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD311
【图文】：

中国能源,消费结构

机械耦合冲击破碎坚硬煤岩机理研究(BK20160250)”。1.2 选题背景及研究意义(Background and Significance)2018 年，《BP 世界能源统计年鉴》指出：中国仍然是世界最大能源消费国，全球能源消费量的 23.2%和全球能源消费增长的 33.6%，煤炭资源消耗量占消费总的 60.4%，中国能源消费结构如图 1-1 所示；全球煤炭消费增长相比过去快速放缓在很大程度上由中国驱动，然而中国依然是世界上最大的煤炭市场，到 2040 年占球煤炭需求的 40%，因此在未来很长一段时间内煤炭作为我国主体能源具有无法替的地位，图 1-2 所示为分地区煤炭能源消费。《国家中长期科学和技术发展规划纲（2006~2020）》明确指出：亟需大力加强煤炭资源安全高效开采及成套装备和应用术研究，特别是硬岩及非均质岩层安全高效综合采掘装备制约着煤炭开采和巷道快掘进，明确指出重点研究深层和复杂地层矿体开采技术[1]。国家能源局印发的《国能源科技发展“十三五”规划》明确指出复杂地质条件下煤炭资源安全高效开采是后重大科技工程与攻关方向，需针对我国复杂地层条件下多模式巷道掘进及煤炭开技术和装备进行研究与设计[2]。7.2% 13.6%

煤石,煤炭能源,可再生,天然气

【相似文献】