矿山多层空区探测用反循环钻头的试验研究

发布时间：2017-09-12 13:10

  本文关键词：矿山多层空区探测用反循环钻头的试验研究

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【摘要】：采空区是人类进行地下挖掘或地质构造运动形成的地下空洞,具有极强的隐伏性、空间分布规律异常、采空区顶板坍塌难以预测等特点,是矿山露天开采安全事故的主要危害源之一。因此,为确保露天开采的安全生产,对地下不明采空区的精准探测意义重大。目前国际上三维激光扫描探测工艺与钻探相结合在空区探测中应用相当成功,但在多层空区钻探领域还有诸多问题尚未解决。采用贯通式潜孔锤反循环钻进工艺能够对多层空区进行钻探,将C-ALS三维激光扫描仪通过双壁钻杆中心通道下放至空区内部实现精确探测。其中贯通式潜孔锤反循环钻进系统中反循环钻头是形成反循环的关键部件,同时其要直接接受活塞冲击力并将应力波传至岩体实现破碎岩石的效果。钻至多层空区时,反循环钻头通过其独特的流体通道设计能够将孔底岩渣屑带入双壁钻杆中心通道并上返至地表,因此钻孔中断不影响钻具的正常钻进。与此同时,多层空区探测用反循环钻头需满足C-ALS三维激光扫描仪器的下放要求和防卡堵功能。因此,在多层空区探测工艺中,专用反循环钻头应具有较好的反循环效果、较强的抗冲击能力,并且满足工艺使用要求和功能,为解决多层空区探测难题奠定基础。本文依据袁家村铁矿山多层空区探测项目研发多层空区探测工艺专用反循环头,创新设计了滑块式反循环钻头。该钻头设计结构为大通道直径中心通道、双排内喷孔结构和滑块结构,其中滑块结构更是首次在反循环钻头上使用。因此,深入研究滑块式反循环钻头的反循环机理和钻头体的应力分布,对钻具系统整体工作性能稳定极为重要。首先,对新设计的滑块式反循环钻头流体通道进行正交试验设计和CFD数值模拟试验研究。对中心通道直径D2、双排内喷孔直径D1、倾角θs、偏转角θd四个因素进行正交试验设计,观察各因素对外环抽吸量M环的影响,通过极差分析和方差分析得出各因素的主次顺序和显著水平,最后通过趋势图对优方案进行趋势分析;通过CFD数值模拟分析对中心通道直径D2和双排内喷孔直径D1对外环抽吸量M环影响规律进行详细分析,以获取最优方案。利用ANSYS LS-DYNA对滑块式反循环钻头体进行应力分析,并对滑块结构进行结构受力优化设计,优化出最优滑块结构以满足钻孔施工要求,为后续的钻头实体设计提供可靠的理论基础。其次,通过实际钻孔试验观察滑块式反循环钻头使用性能,在试验中反循环效果较好,钻进效率较高,在极其破碎地层平均钻进效率达到33.75m/h,坚硬地层平局钻进效率达到10.17m/h。采用滑块式反循环钻头进行钻进有效解决中心通道卡堵问题,滑块结构满足钻孔施工要求。成功将多层空区顶板钻穿,并通过中心通道实现C-ALS三维激光扫描仪器的下放,解决多层空区的钻探和扫描同步进行的难题。最后,为进一步提高反循环效果,本文提出窄缝内喷孔结构和环槽内喷孔结构两种新型反循环结构,并通过数值模拟分析简单的对两种反循环结构流场和应力场进行分析,为后续的反循环结构优化提供参考和指引。
【关键词】：多层空区探测工艺 贯通式潜孔锤反循环钻进工艺 C-ALS三维激光扫描仪 滑块式反循环钻头 正交试验 CFD数值模拟 ANSYS LS-DYNA
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD41
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 论文研究背景10-13
• 1.2 反循环钻头研究现状13-15
• 1.3 空区探测国内外研究现状15-20
• 1.3.1 国外研究现状15-17
• 1.3.2 国内研究现状17-20
• 1.4 论文研究的意义与内容20-22
• 1.4.1 论文研究的意义20-21
• 1.4.2 论文研究内容21-22
• 1.5 本章小结22-23
• 第2章 多层空区探测用滑块式反循环钻头概述23-35
• 2.1 多层空区探测工艺23-27
• 2.1.1 多层空区探测工艺原理23-25
• 2.1.2 C-ALS三维激光扫描仪25-27
• 2.2 滑块式反循环钻头的结构设计27-34
• 2.2.1 反循环形成机理27-30
• 2.2.2 滑块式反循环钻头的设计要求30-32
• 2.2.3 滑块式反循环钻头结构设计特点32-34
• 2.3 本章小结34-35
• 第3章 滑块式反循环钻头的数值模拟分析35-62
• 3.1 滑块式反循环钻头的流场分析35-49
• 3.1.1 滑块式反循环钻头流场通道介绍35
• 3.1.2 反循环钻头内部流场研究现状35-37
• 3.1.3 CFD数值模拟分析概述37-38
• 3.1.4 CFD数值模拟分析步骤38-41
• 3.1.5 正交试验设计41-44
• 3.1.6 Fluent结果分析44-49
• 3.2 滑块式反循环钻头的应力场分析49-61
• 3.2.1 冲击动力学控制方程50-51
• 3.2.2 滑块式反循环钻头冲击模拟前处理51-53
• 3.2.3 ANSYS-LSDYNA结果分析53-61
• 3.3 本章小结61-62
• 第4章 滑块式反循环钻头在多层空区探测中的应用62-78
• 4.1 矿区概况62
• 4.1.1 矿区地层情况62
• 4.2 矿区采空区概况62-63
• 4.2.1 太钢袁家村铁矿采空区现状62-63
• 4.2.2 袁家村铁矿山采空区探测现状63
• 4.3 试验目的63-64
• 4.4 试验设备与机具64-67
• 4.5 多层空区探测工艺现场试验67-75
• 4.5.1 第一阶段试验67-72
• 4.5.2 第二阶段试验72-74
• 4.5.3 第三阶段试验74-75
• 4.6 试验总结75-77
• 4.7 本章小结77-78
• 第5章 几种新型反循环钻头结构数值模拟研究78-93
• 5.1 窄缝式反循环结构78-82
• 5.1.1 仿真模型设计78-79
• 5.1.2 Fluent结果分析79-82
• 5.2 环槽式反循环结构82-86
• 5.2.1 仿真模型设计82-83
• 5.2.2 Fluent结果分析83-86
• 5.3 几种反循环钻头总结86-92
• 5.3.1 流场分析86-88
• 5.3.2 应力场分析88-92
• 5.4 本章小结92-93
• 第6章 结论与展望93-96
• 6.1 结论93-95
• 6.2 展望95-96
• 参考文献96-100
• 作者简介及攻读硕士学位期间获得的成果100-101
• 致谢101

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本文编号：837395