水滴破煤以及冲击压力作用假说
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水滴破煤以及冲击压力作用假说

ca88手机版厂据无裂隙脆性材料水流破碎实验所提出的。实验过程中显示,在试样被水流冲击的初始阶段,试样的被冲击区域并没有受到破坏,但是其周围的边界区域部分普遍受到破坏。


冲击应力假说是在水滴破煤假说的基础上提出来的,是对水滴破煤假说的进一步解释。关于冲击应力假说,学者们又有一些不同的观点来理解。有学者认为煤体破碎的最主要原因是水流的冲击力,在接触区域范围内,水流对煤岩体的冲击力要高于其本身的动压,所以在煤岩体破碎过程中水流的冲击力起决定性作用。还有一种观点是认为煤岩体受到水流冲击时,被冲击区域会发生下陷引起周围煤体向冲击中心弯曲,从而产生张应力,使煤岩体产生环状裂隙。虽然上面两种观点均认为是张应力引起煤岩体破坏,但两种张应力的产生机理有本质的区别。


水楔作用假说是建立在固体中存在很多裂隙的假设基础上提出来的。该学说将高压水流的流动过程进行了简化,将作用力等同于集中力。由于煤体中裂隙的存在,水流进入裂隙中,由于受到水流的不断冲击,裂隙里的水压会非常大,甚至接近于煤岩体表面的流的冲击力,这种冲击力导致了裂隙的逐渐变大并贯通。在裂缝形成的过程类似于刚性楔子嵌入煤体,所以叫作水楔作用。该理论考虑了煤体中存在的大量裂纹,与冲蚀坑的形成综合考虑,并采用断裂力学理论对裂纹分布与变化规律,以及水流破碎煤体机理进行了描述与研究。该假说很好地解释了生产实际中的一些现象,因而受到很多学者的赞同。但是该假说也存在局限性,由于它是建立在煤岩体中存在裂隙的假设之上,定性描述了煤体受破坏时所受的应力场特征,没有计算出裂纹的破裂方向,另外对于不存在裂隙或裂隙不发育的煤岩体被水流破碎的现象,该假说无法解释。


考虑到喷嘴入口压力难以直接得到,而高压泵初始压力可以读出,ca88手机版工作压力经过高压软管、接头等部件时,压力有损失,而且水力割缝所用水流速度较快,压力损失较大。基于此,因为管路压力损失不可忽视,考虑建立包含管路压力损失的数学模型。水力割缝设备中的压力损失包含两部分:(1)水流沿等直径管道流动时所产生的压力损失,叫做沿程压力损失,是由水流动时的内、外摩擦力所引起的。(2)水流经局部障碍(比如弯头、接头、管道弯曲、阀门等)时,由于水流方向和速度出现突然变化,在局部出现旋涡引起水流与管道壁面间相互碰撞以及剧烈摩擦而产生的压力损失,则称为局部压力损失。


过高压水流破煤现场试验,优化水力割缝喷嘴几何参数,并验证前文理论研究与数值模拟所得结论。根据流体力学理论,由于该矿所用钻割一体化钻头所含3个喷嘴几何参数均相同,且呈中心对称布置,因此采用单喷嘴进行研究即可满足要求。另外采用单喷嘴更有利于测量高压水流破煤所形成的孔洞体积,综合考虑加工单喷嘴样品进行试验。考虑成本因素,加工了3个喷嘴样品,所用材质为不锈钢。其中,ca88手机版厂根据该矿所用水力割缝喷嘴参数加工的样品为3号喷嘴(出口直径为3mm)。根据前文理论与数值模拟所确定的参数加工了1号与2号喷嘴,喷嘴收缩角均为13°。

表1:喷嘴几何参数取值

喷嘴编号

喷嘴出口直径d

(mm)

收缩角(°)

收缩段长度z

(mm)

直柱段长度/

(mm)

1

1

13°

5

4

2

2

13°

10

8

3

3

13°

12

16

试验区域需要平坦的煤壁以及合适的地面空间,本试验地点选择坦家冲矿某机巷内,泵压统一固定为30MPa、破煤时间为1min。

试验中固定喷嘴距离煤壁距离为50mm,分别用三种喷嘴对煤壁冲击1min,测量冲击形成的孔洞深度和孔洞宽度以及孔洞体积。结果如表2所示。

表2:试验结果

喷嘴编号

孔洞深度mm)

孔洞宽度mm)

孔洞体积m3)

1

805

16

0.0002

2

642

25

0.0004

3

374

32

0.00038


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点击次数:  更新时间:2018-01-31 09:22:02  【打印此页】  【关闭