高压磨料射流煤岩钻割设备研制及切割性能研究1.doc

《高压磨料射流煤岩钻割设备研制及切割性能研究1.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高压磨料射流煤岩钻割设备研制及切割性能研究1.doc（8页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、高压磨料射流煤岩钻割设备研制及切割性能研究1陆海龙，王力，吴海进，张连军中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州（221008）摘要：高压磨料射流切割技术是近 30 年发展起来的新技术，新工艺。高压磨料射流煤岩 钻割设备综合高压磨料射流切割技术和钻机钻孔施工技术，实现煤岩打钻，切割一体化完成。 本文详细说明了该设备的结构组成及工作原理；理论推导了高压磨料射流破煤岩机理；通过 试验，总结分析了喷射压力、横移速度、试样坚固系数对该设备切割性能的影响；简单介绍 了该设备的目前应用情况。 关键词：高压磨料射流煤岩钻割设备；钻割一体化；高压磨料射流破煤岩机理；切割性能; 试验研究中图分类号：TD43文献标识码

2、：A磨料水射流是 20 世纪 80 年代发展起来的新型切割加工技术，该技术最早于 1983 年 在美国取得专利权，到目前有 20 多年的历史，高压磨料射流切割技术于上世纪九十年代由 国外传入我国，它是以高压水为介质，通过磨料发生装置使磨料获得能量，磨料与水的混合 浆体从喷嘴喷射出来，形成能量高度集中的一股，磨料粒子本身有一定的质量和硬度，因此 磨料水射流具有良好的磨削、穿透、冲蚀的能力。因为该技术具有许多独特的优点，系统也 较为简单，因此得到了较快的发展和应用。目前该技术已广泛应用于石油业、飞机制造业、 汽车制造业、建筑工程等行业领域1。高压磨料射流煤岩钻割设备以高压磨料切割技术为基础，结合钻

3、机钻进技术，实现煤岩 钻孔、切割一体化。1. 钻割设备结构组成及工作原理1.1 设备结构组成高压磨料射流煤岩钻割设备是一种在打钻完成后，利用钻机作为切割进给动力源直接进 行割缝的新型钻孔、切割一体化设备。如下图 1 所示，该设备组成包括高压泵站；磨料发 生装置；钻机、高强度钻杆、钻割一体实现装置。1本课题得到国家自然科学基金项目（50534090，50574093）和国家重点基础研究发展计划（2005CB221506） 的资助。- 8 -图 1 设备结构Fig.1 The structure of the equipment1-水箱 2-过滤器 3-高压泵 4-溢流阀 5-单向阀 6-压力表

4、7-截止阀 8-过滤筛网 9-高压磨料罐 10-混合腔11-磨料浓度调节阀 12-钻机 13-支架本设备从高压泵站出来的高压水分成三路，分别为：第一路高压水到达磨料发生器的顶 部，迫使磨料往下运动；第二路高压水经过单向阀到达磨料发生器底部的混合腔，依靠水的 流动将磨料罐中流下来的磨料携带走；第三路高压水称为旁通水路，高压泵出来的高压水经 过旁通水路直接送到磨料罐的下游，引射出混合腔里磨料浆，第二、三路的流体混合均匀后， 经钻杆进入前端钻头处的喷嘴。从喷嘴射流处的高压磨料混合浆体进行切割作业。1.2 设备工作过程本设备作业流程如下：在钻机钻进过程中，由钻机配合钻杆内送入的风或者低压水进行 排粉，

5、与钻机共同完成钻进作业。钻进结束后，钻机停止转动，只进行退钻作业，高压泵站 加压，水压达到预定压力值后，清水与高压磨料发生装置产生的磨料粒子相混合，与此同时 钻头压控装置完成射流直向钻孔到侧向割缝的切换，进行切割作业。通过阀门控制高压磨料射流水的开、关，达到随时钻进随时割缝的要求，从而实现钻割一体化。安装示意图磨符号 :截止阀与外相通料 罐长 宽 高:600X600X1800钻过滤筛网桶径 400单位 : mm压力表溢流阀泵站低压时打开单向阀机长 宽 高:1873X760X880图 2 设备安装示意图Fig.2 The installation of the equipment2. 钻割设备切

6、割性能研究2.1 高压磨料射流破煤岩机理分析磨料水射流是以水为介质,经过增压器或高压泵站增压，使水射流的压力达到一定高的 压力，然后混入磨料，经磨料喷嘴喷射出固液两相射流，即高压磨料射流。该磨料射流具有 一定的动能，可对被切割的煤岩产生强大的冲击动能，混入高速水射流中的磨料其动能为：E = 1 k w v 2(1)a2 1 a c式中：Wa 为磨料供给量； 前水射流的速度为：Vc 为磨料的流速； K1 为流量系数；而在磨料加入水射流之vw =2 gp(2)w当磨料混入后,若水射流和磨料为同一速度，混入磨料后其速度可用下式表达：vc =vw1 + wa wQ(3)将式(2) ，(3) 代入式(1

7、)，得到磨料所具有的动能为： wkap1 E = w (4)a1 + w( r Q ) 2 aw式(2) 中 w 为水的密度，在喷射压力和喷射流量 Q 确定以后，磨料的动能仅是Wa 的函数，即能量随磨料的供给量增加而加大，当Wa = VwQ 时磨料的动能达到最大值，磨料在水射流中有横向运动及相互碰撞。因此，其混入磨料的供给量与磨料的粒度和密度成反比，而与水的速度Vw 成正比，即：1 d wa = k0 rad ra(5)式中 K0 为系数，ra 为磨料的密度，d 是与磨料形状有关的系数， 为速度指数，混凝土 材料的体积能 Ec 为：Ec = A v =Ay2Ehv0 d0(6)式中 为材料单位

8、体积能， 为切除体积,A 为常数，y 为材料的负荷强度； E 为材料的 弹性模量，hc 为磨料水横向移动速度，d0 为磨料水喷嘴直径。当磨料的能量 Ea 大于煤岩体 积能 Ec 时，材料才能被切除即：Ea =wk1 ( n)ww Ec = A v =Ay2Ehv0 d0(7)(1 +a)rwQ将式(5) 代入(6) ,经整理得到其切割深度为：k k pEy r 1d ach = 1 0 a (8)2Aw y(1 + wa) v0 d0r2Q w分析式(8) 切割深度与磨料射流作业工艺参数(即水射流压力水流量)，磨料参数(粒度、 浓度) 混合参数，喷嘴直径，切割控制参数(靶距,喷嘴横移速度) 以

9、及被切割材料力学性能 等的因素有一定的影响关系2。2.2 钻割设备切割性能实验研究分析本文采用单因素法，即在考察某一因素的影响规律时，其他参数保持不变。高压磨料射 流的破煤岩切割效果一般包括切割深度、切割宽度。对于高压磨料射流切割，喷嘴直径很 小切割宽度变化不大。因此本实验选取切割深度作为反映射流切割效果的重要指标3。本实验以 20 目的石榴石作为磨料，采用水泥及添加适量的外加剂作为设备切割材料试 样，下表 1 所示为试样基本参数，试样在实验前已经凝固 3 个月。在进行切割实验时,喷嘴 轴线与试件表面垂直构成 90直角,喷嘴与试样保持 1cm 的距离（设备在切割作业时，喷嘴 在钻孔内部，因为钻

10、孔大小恒定，故靶距不变，因此本文不研究靶距对该设备切割性能的影 响），切割深度经多次测量取其均值。表 1 试样参数表Table 1 The parameters of the Sample试件硬度系数体积（mm3 ）A1.568500 500 500B3.693500 500 500C5.165500 500 5002.2.1 喷射压力对设备切割能力的影响在相同的横移速度 1m/min，其他切割参数不变的切割条件下，只单一改变压力分别对A、B、C 试块进行切割实验，得到图 3 的切割实验曲线。50切割深度(cm)4030试样A 试样B20试样C1005101520253035喷射压力(MPa)

11、图 3 切割深度与磨料射流喷射压力的关系Fig.3 The injection pressure change of the cutting depth随着喷射压力的增加，切割深度也增大，其切割深度主要与射流所携带的能量及切割材料受到的打击力等因素有关，切割深度与水射流喷射压力存在明显的线性关系，压力增大，切割深度增大。如果将上图中的直线延长与 X 轴必然存在一个交点，即：切割深度为 0 的 位置。显而易见，当喷射压力小于这个临界压力时，切割深度始终为 0。因此，水射流冲击 物料时，存在着一个使物料产生破坏的最小喷射压力，当水射流喷射压力小于这个压力时， 物理只能产生塑性变形而几乎不被破坏。当

12、喷射压力超过这个压力时，物料将产生跃进式破 坏34。因此，通过提高设备的磨料射流喷射压力，可以提高该设备的切割能力，但是磨料射流 系统的压力不能无限制的增加，受切割设备技术性能等客观条件的制约，依靠压力的增加提 高切割能力受到定的限制。2.2.2 横移速度对设备切割能力的影响在相同的喷射压力 30MPa，其他切割参数不变的切割条件下，只单一改变横移速度分 别对 A、B、C 试块进行切割实验，得到图 4 的切割实验曲线。6050切割深度(cm)40试样A30 试样B 试样C2010050 100 150200 横移速度(mm/min)图 4 切割深度与横移速度的关系Fig.4 The movin

13、g speed change of the cutting depth喷嘴横移速度是诸因素中惟一与切割时间有关的一个因素，其实质反映了水射流对物料 的冲击时间。从上图可以看出：横移速度越小，切割深度越大，随着横移速度的加大，开始 时切割深度有明显的下降，但横移速度进一步增加时，切割深度减小并不明显，即：切割深 度的增长率随水射流的冲击时间的增长而逐渐减小。最终稳定在某一个切割深度上，也就是 说在较高的横移速度下仍保持一定的切割深度不断增加5。从另一个衡量切割效果的标准切割面积来分析切割的横移速度。将射流单位时间内切割 深度与横移速度的乘积定义为单位时间切割面积，即：式中： S 单位时间切割面积

14、v 横移速度h 切割深度S = v h(9)因此，可得切割面积与横移速度关系图，如下图 5 所示。60切割面积(cm2/min)555045403530507090110130150170190 横移速度(cm/min)图 5 横移速度与切割面积的关系Fig.5 The cutting area change of the moving speed由图 4 和 5 可知，较高的横移速度，虽然切割深度较小，但单位时间射流的切割面积却 大大增加。因此，选择合适的切割横移速度是一种提高切割效率的有效措施。2.2.3 材料硬度对设备切割能力的影响试件的坚固系数对设备的切割能力有着一定的影响, A 、B

15、 、C 三种试件,在一定的切割 条件下（喷射压力 30MPa，横移速度 100cm/min），获得的切割深度不同，我们在切割实验 中，获得如图 6 所示的实验曲线，切割深度随着试件坚固系数的增加而降低，这是因为随着 试件坚固系数的增大，其抗冲蚀动能的能力有所增加，因此磨料射流冲蚀的切割深度也将有 所减小，所以物料的坚固系数是选择切割最佳压力的先决条件。5045切割深度(cm)4035302520151.568 3.6935.165 坚固系数图 6 坚固系数与切割深度的关系Fig.6 The cutting depth change of the rigidity of the sample试样

16、的坚固系数大，选择的切割压力也应增加，横移速度应该减小，才能提高设备的切 割能力。3. 钻割设备应用目前，该设备主要应用于煤矿瓦斯突出治理，一般情况下，具有突出危险的煤层内部空 隙和裂隙都很小。为了增大煤体的透气性系数，就要人为地采取措施在煤层中造成空隙，沟通及扩展煤层内部的裂隙网。对于单一煤层而言，则只有在煤层内部本身采取措施，张开原有煤层裂隙，造成新裂隙及局部卸压条件，才能改善煤层内部瓦斯流动状况。 运用该设备在煤层中先打一个钻孔，然后在钻孔内利用高压水射流对钻孔二侧的煤体进行切割，在钻孔二侧形成一条具有一定深度的扁平缝槽。采用本设备钻孔，磨料射流割缝措 施后，首先增加了煤体暴露面积，且扁

17、平缝槽相当于局部范围内开采了一层极薄的保护层， 达到层内自我解放，给煤层内部卸压、瓦斯释放和流动创造了良好的条件，其结果是造成了 缝槽上下煤体的一定范围的较充分卸压，增大了煤层的透气性能；其次，割缝在煤体中形成 的缝槽或空间在地压的作用下，使缝槽周围的煤体向缝槽空间移动，因而更扩大了缝槽卸压、 排瓦斯范围。由于磨料射流割缝的切割、冲击作用，钻孔周围一部分煤体被高压水击落冲走， 形成扁平缝槽空间，这一缝槽可以使周围煤体发生激烈的位移和膨胀，增加了煤体中的裂隙， 大大改善了煤层中的瓦斯流动状态，为瓦斯排放提供了有利条件，改变了煤体的原始应力和 裂隙状况，煤体和围岩中的应力紧张状态得到一定程度缓和，

18、达到突出潜能的大量释放，使 煤岩变硬。这样，既削弱或消除了突出的动力，又大大改变了突出煤层的物理机械性能。因 此可以增大透气性和提高煤层抽放瓦斯的能力，起到防止煤与瓦斯突出的有效作用。4. 结论（1）高压磨料射流煤岩钻割设备将高压磨料射流技术和钻机钻孔施工技术相结合，以 岩体力学、流体力学、多相流理论、机械设计、密封技术等学科理论为基础。（2）通过对高压磨料射流破煤岩机理的理论分析，可以看出设备的切割性能与磨料射 流作业工艺参数(即水射流压力水流量)，磨料参数(粒度、浓度) 混合参数，喷嘴直径，切割 控制参数(靶距,喷嘴横移速度) 以及被切割材料力学性能等的因素有一定的影响关系。（3）通过试验

19、分析，可以得出以下结论：切割深度与水射流喷射压力存在明显的线性关系，压力增大，切割深度增大。水射 流切割煤岩存在一个临界压力。当压力小于这个临界压力时物料只产生塑性变形，而没有切 割深度。在保障设备运行以及人员操作安全的前提下，应该尽可能增大射流喷射的压力；在一定的范围内，切割横移速度越小，切割深度越大。但横移速度进一步增加时， 切割深度减小量并不明显，最终稳定在某一个切割深度上。提高切割横移速度，单位时间内 可以增大切割面积；物料坚固系数对切割深度也有着重要的影响，试样的坚固系数大，应提高设备的切 割压力，降低设备切割横移速度，才能提高设备的切割能力。（4）目前该设备主要应用于煤矿瓦斯突出灾

20、害防治，鉴于高压磨料射流的特点及切割 性能，以及设备的结构特点，该设备还可应用于煤矿煤岩巷道掘进，石门揭煤，公路铁路隧 道掘进，石材切割等领域。参考文献1刘丽萍、王祝炜，高压水射流切割技术及应用(J)，农业机械学报，2000 年第 31 卷第 5 期 2赵永赞、赵 民，磨料射流切割混凝土的机理及试验研究(J)，混凝土，2003 年 12 期 3陆海龙，煤层钻割一体化实验系统水射流切割性能研究(D)，徐州，中国矿业大学，2007 4孙家骏，水射流切割技术(M)，徐州:中国矿业大学出版社 1992 5崔谟慎、孙家骏，高压水射流技术(M)，北京：煤炭工业出版 1993Development of H

21、igh-pressure Abrasive Water Jet Coal & Rock Drilling-cutting Equipment and Research on the Cutting PerformanceLu Hailong, Lin Boquan, Wu Haijin, Zhang LianjunSchool of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu, (221008)AbstractHigh-pressure abrasive water jet cut

22、ting technology is a new developmental technology and technics in the last 30 years. High-pressure Abrasive Water Jet Coal & Rock Drilling-cutting Equipment combinedhigh-pressure abrasive jet technology and drilling technology, achieved coal & rock drilling, cutting integration completed. This paper

23、 detailedly illuminated the structure and the working principle of theequipment; theoretically deducted the mechanism of high-pressure abrasive jet breaking coal & rock,through the experiment, analyzed the influence of the cutting performance, which made by the injection pressure, moving horizontall

24、y speed and the rigidity of the sample, and simply introduced the current application of the equipment.Keywords: High-pressure Abrasive Water Jet Coal & Rock Drilling-cutting Equipment; Integration of Drilling-cutting; Mechanism of high-pressure abrasive jet breaking coal & rock;Cutting performance; Experimental Study作者简介：陆海龙（1984-），男，吉林省吉林市人，中国矿业大学安全工程学院安全技术及 工程在读硕士研究生，主要学习研究煤矿瓦斯防治技术。