一种井下瓦斯抽采修孔机的设计与分析

发布时间：2017-09-05 00:36

  本文关键词：一种井下瓦斯抽采修孔机的设计与分析

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【摘要】：由于技术和管理等方面的原因,煤层气作为一种高热值的清洁能源,却演变成煤层瓦斯,成为威胁煤矿安全生产的主要危险源之一。在煤炭产能过剩、需求放缓的新形势下,做好瓦斯抽采工作是实现节能减排、安全生产的迫切需求。有效地抽采煤层中的瓦斯是减少矿井瓦斯事故最直接有效的途径,而我国多数煤层属于高瓦斯低渗透煤层,在打钻抽采孔的过程中和成孔提钻后,受煤层地应力、松软易碎以及泥岩水化膨胀等综合影响,导致瓦斯抽采孔塌陷堵塞,最终大幅降低瓦斯抽采率。为实现疏通抽采孔以提升瓦斯抽采效果,本文利用水射流的能量、连续油管作业机的工作原理,改进设计了瓦斯抽采修孔机以疏通抽采孔,并对关键部件喷嘴开展了喷射水射流破煤的模拟研究,可充分实现安全、环保与能源利用三重意义。本文首先对高压水射流破煤疏孔系统进行了参数分析与研究,基于球形空腔膨胀理论和水射流基本理论,确定了高压水冲击破碎煤体的最小动压力,并进一步分析计算了水射流系统的压力和流量参数,分别为40MPa和200L/min。高压水泵入一小直径的钢管,并经喷嘴高速射出以实现破煤疏孔的目的。借鉴连续油管作业机的工作原理,利用滚筒旋转产生的扭矩和注入器产生的牵引力分别实现钢管的缠绕收管和拉直放管的动作。理论分析并计算了瓦斯抽采修孔机工作时的受力大小,缠绕回收管所需力大约为20k N,拉直推进管所需力大约为10k N,回收与推入钢管所需力近似为2:1。在此基础上开展了修孔机三维建模与分析,设计能达到工作要求。水射流系统管路较长,对系统压力损失值开展了理论计算和数值模拟互相验证的研究,两者差异较小,系统压力损失最大值约占额定泵压的40%。针对疏孔作业的关键部件喷嘴进行改进,设计了三种喷嘴,数值模拟得出了叶轮式旋转水射流喷嘴具有较小的喷嘴压力损失和较大的动压力,从而可替代原始喷嘴,大幅提高破煤疏孔的作业效率。
【关键词】：高压水射流 抽采孔修复 设计与分析 喷嘴 数值模拟
【学位授予单位】：重庆科技学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD712.63
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 1 引言10-16
• 1.1 研究背景与意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 抽采孔防堵工艺现状11-12
• 1.2.2 水射流在煤矿开采中的应用12-13
• 1.2.3 连续油管在井下的应用13-14
• 1.3 研究内容及方法14-16
• 1.3.1 研究内容14-15
• 1.3.2 研究方法15-16
• 2 系统初步设计及主要参数确定16-35
• 2.1 系统初步设计16-17
• 2.1.1 系统设计原则16
• 2.1.2 水射流系统设计16-17
• 2.2 水射流系统主要参数的确定17-25
• 2.2.1 主要参数的重要性与选取17-18
• 2.2.2 水射流参数的确定18-25
• 2.3 修孔机弯曲与拉直钢管分析25-34
• 2.3.1 钢管弯曲过程分析26-31
• 2.3.2 钢管拉直过程分析31-34
• 2.4 本章小结34-35
• 3 修孔机三维建模与分析35-47
• 3.1 注入器设计35-40
• 3.2 滚筒及其附属结构的设计40-43
• 3.3 行走与支撑机构设计43-44
• 3.4 整机装配与分析44-45
• 3.5 本章小结45-47
• 4 流场分析及喷嘴优化47-71
• 4.1 螺旋管段压力损失模拟47-56
• 4.1.1 Fluent简介47-49
• 4.1.2 几何模型建立及网格划分49-51
• 4.1.3 钢管螺旋管段的压力损失模拟研究51-56
• 4.2 喷嘴结构设计56-61
• 4.2.1 扩散型喷嘴57-58
• 4.2.2 三维旋转射流喷嘴58-61
• 4.3 喷嘴流场数值模拟与分析61-70
• 4.3.1 流场几何模型建立与网格划分61-63
• 4.3.2 计算设置与模拟结果分析63-70
• 4.4 本章小结70-71
• 5 结论与展望71-72
• 5.1 结论71
• 5.2 展望71-72
• 参考文献72-75
• 致谢75-76
• 附录A: 修孔机76-79
• 附录B: 注入器总装79-81
• 作者在攻读学位期间发表的论著及取得的科研成果81

【参考文献】

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本文编号：794785