煤层割缝器喷嘴结构设计及布置方式优化

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1、重庆大学硕士学位论文1绪论1－水箱；2－柱塞泵；3－溢流阀；4－高压球阀；5—三通；6—脚踏开关；7－抗震压力表；8—流量计；9—高压旋转输水器；10－高压密封钻杆；11－割缝器；12—多功能钻头；图1.1高压水射流煤层钻进割缝系统连接图Fig.1.1Systemconnectionofcoalseamdrillingandcuttingwithhigh-pressurewaterjet高压水射流割缝后，煤体暴露面积增大，煤层内部微观裂隙增加，为煤层内[8-10]部卸压、瓦斯解析和流动创造了良好的条件。首先，圆盘缝槽

2、增加了煤体瓦斯涌出面面积，使缝槽周围区域的瓦斯压力能够得到充分的释放，增大了煤层卸压[2]区的煤体裂隙和透气性；其次，由于圆盘缝槽的形成，导致缝槽周围煤体在原始地应力下发生膨胀性位移，提高煤层微观裂隙分布范围，改善煤层中的游离瓦斯流动通道，为瓦斯抽采提供了有利条件，而且，煤体中增加缝槽也改变了煤体的原始应力和裂隙状况，一定程度缓和了煤体和围岩中的应力集中的状态，降低瓦斯突出能量瞬间释放的几率。高压水射流割缝所形成的卸压缝槽，能使煤层的地应力和瓦斯压力重新分布，从而有效的消除了煤体中的高应力变形区和高瓦斯压[6]力区。

3、这样,瓦斯突出的动力得到了消减，并且突出煤层的物理力学参数也得到了改变。因此，高压水射流割缝技术既可以增大透气性和提高煤层瓦斯抽采的能[6]力，又可以起到防止煤与瓦斯突出的作用。煤层割缝器为该系统设备中的关键部件，其主要由割缝喷嘴、破碎刀片、阀芯、回流截止球以及割缝器本体结构组成。该割缝器所携带的割缝喷嘴的性能好坏直接影响射流品质的优劣，从而影响对煤体的割缝效果。以往的喷嘴设计以及在割缝器上布置方式主要以经验值为主，对于单梯度锥型喷嘴，收缩角常取为13°，[9-10]直线段长度取为2～4倍喷嘴直径，垂直安装单个割缝喷

4、嘴。由于割缝喷嘴与常规喷嘴所工作的流道结构有所不同，主要表现在受割缝器结构尺寸的影响，喷嘴总长受限、流道截面积、流动方向发生突变，在割缝器腔体内形成强烈的紊流区域，产生很强的回流和涡旋，喷嘴出流密集性不是很理想，直接影响了割缝器对煤体切割效率。这就导致按照经验设计的割缝喷嘴射流打击力大大降低，使割2重庆大学硕士学位论文1绪论缝深度远小于设计值，影响高压水射流煤层钻进割缝系统设备的工作效率，降低[7]了煤层瓦斯抽采率，该问题严重影响水射流割缝预抽瓦斯技术进一步发展。本文结合湍流理论对高压水射流煤层割缝喷嘴进行数值研究，

5、在普通喷嘴设计结构上，重新对割缝喷嘴进行流道设计，找出最优的喷嘴结构；在此基础上，又重新对现有割缝器上喷嘴安装方式及其安装个数进行设计优化，通过实验室试制在实验室模拟割缝试验台上测试，得出最为理想的割缝器喷嘴布置方式。增强高压水射流在煤体中的割缝半径。研究成果对提高低透气性煤层的瓦斯抽采率，实现煤矿安全、高效生产具有重要意义。1.2水射流割缝喷嘴的研究现状国内外学者对于喷嘴的研究主要从喷嘴的结构及流动特性、材质等方面来进行。前苏联学者G.P.Nikonov首次提出了锥直型的喷嘴结构。该喷嘴由于能量传输[5]效率高以及

6、加工简单，目前在采矿、石油、消防等行业获得广泛应用。在这基础上，国内外学者研究发现依据流体动力学理论设计的流线型喷嘴具有较高的能量传输效率，如圆弧型进口喷嘴，该喷嘴由于能量传输效率比较高但是加工比较复杂，生产成本较高，目前主要应用于对射流密集性要求很高的精细加工领域。人们从20世纪90年代开始研究自激振荡脉冲水射流喷嘴，Chorine和Conn等提出利用自激振荡喷嘴装置来产生脉冲射流。重庆大学李晓红、卢义玉等人对[10]自激振荡脉冲射流进行了较深入的理论和实验研究。自激振荡脉冲射流是通过调整连续水射流的流动参数和结构

7、参数，对射流的涡量扰动进行闭环反馈和放大，将连续射流变为压力脉冲的冲击式射流，射流作用在靶体上的力为按照一定频率变化的冲击载荷。实验证明其冲击压力是连续水射流滞止压力的1.5～2.5倍，大[3]大提高了对靶体的冲击破坏作用。Vijay等人设计了多种淹没空化喷嘴，其主要类型有：带中心体喷嘴、带圆柱[9]段喷嘴、长喷嘴、重叠喷嘴等，并通过实验验证了其良好的冲蚀特性；KatsuyaYannacda利用简单锥形喷嘴进行了空化射流的研究，研究表明：该喷嘴能加剧射[8]流和周围液体之间的剪切作用，从而引起大量空泡的产生。为了增强

8、高压水射流的密集性能，出现了各种流道结构的喷嘴。最典型的为[10]美国AQUT-DYNE公司的Rankin-ShapeJets喷嘴，标志着射流喷嘴的新水平。该类喷嘴充分利用具有锐边的平面防止空气卷裹射流，由于该喷嘴结构有利于消除空气漩涡，具有锐边平面的Rankin-Shape射流在较大靶距处能够保持射流的密集性和较高的工作效率。喷嘴流场的研究主