磨料射流定向切顶装置的设计与研制.pdf

磨料射流定向切顶装置的设计与研制 重庆大学硕士学位论文 （学术学位） 学生姓名秦旭前 指导教师卢义玉 教 授 学科门类工 学 学科名称矿业工程 研究方向高压水射流技术研究与应用 答辩委员会主席曹树刚 教 授 授位时间2020 年 7 月 万方数据 万方数据 Design and Development of Abrasive water-jet Directional Slitting Machine for Coal mine A Thesis ted to Chongqing University In Partial fulfillment of the requirement for the Master’s Degree of Engineering By Xuqian Qin Supervised by Prof. Yiyu Lu July, 2020 万方数据 万方数据 中文摘要 I 摘 要 N00 工法是一种节约资源并能降低开采成本的长壁采煤工法，快速无伤定向 切割顶板岩石使采空区顶板垮落是该工法的关键。当前使用爆破的方法对顶板岩 石损伤大及井下对炸药使用的管制，限制了 N00 工法的高效实施。本文基于水射 流理论与技术，提出了利用磨料射流定向切割顶板的新思路，围绕快速、低损伤、 定向切缝等难题，研究了磨料射流定向切顶系统的结构组成与工作原理，设计了 系统关键部件，并在实验优选出最优工作参数基础上开展了现场切顶试验。取得 主要研究成果如下 ① 针对砂岩试件系统开展了纯水射流、磨料射流、钻孔压裂、钻孔割缝导向 压裂等不同方式造缝实验，以对比各种造缝方式的造缝效果，最终确定了磨料射 流切缝作为定向切顶的技术方案。 ②研究了磨料射流定向切顶系统的结构组成及工作原理，设计了水射流喷嘴、 切割喷头、 定向器、 输送机、 磨料供给系统等关键部件的结构与尺寸。 应用 FLUENT 软件仿真了不同结构喷嘴的射流流束形态与速度，优选了锥直型结构喷嘴，并设 计出流线型双射流切割喷头。为实现定向切缝，分别设计出扶正器与旋转快接连 杆，即定向器。设计了高压胶管输送机，可调节左右位移、水平偏转、前后摇摆 以适应顶板切缝孔的数量和位置变动，同时可实现高压胶管的有效排列，速度快 慢可控的收放功能。设计了大容量磨料供给系统，加料一次可实现工作面一个步 距的四个孔切缝。 ③ 实验优化了磨料射流定向切顶的最优工作参数。对取自煤矿现场顶板岩石 试样进行了切缝实验，确定了满足 N00 工法要求的磨料射流定向切顶的最优工作 参数射流压力 25MPa、喷嘴直径 1.5mm（8 个） 、磨料类型黄沙/石英砂、磨料浓 度 3.5、切割速度 4.4mm/s。 ④ 于陕西某矿 S1201-II 工作面进行了现场切顶试验。结果表明，采用最优工 作参数， 系统可在 1 个循环时间 （50min） 、 1 个步距 （840mm） 范围内对 7000-8000mm 长度的 4 孔同步定向切缝，实现对留巷顶板的快速高效定向切割 该系统装置的研发与应用，对 N00 等安全、高效、节约型采煤工法的推广具 有深远意义。该系统还有望与顶板钻孔系统集成为一套系统，减少两套系统作业 时的相互干涉，使整套切顶系统装置更集约、简洁和高效。 关键词关键词沿空留巷；切顶卸压；N00 工法；磨料射流；定向切缝 万方数据 重庆大学硕士学位论文 II 万方数据 英文摘要 III Abstract The N00 construction is a long-wall coal mining that saves resources and reduces mining costs. Rapid and non-injury directional cutting of roof rock to collapse the roof of the goaf is the key to this . At present, the of blasting is used to cut the roof. The direction of the explosion energy is difficult to control, and there are many problems and deficiencies such as large damage to the roof rock. It is difficult to meet the needs of the N00 construction . Based on the water jet theory and technology, a new idea of using abrasive jet directional cutting roof is proposed. Focusing on the problems of fast, low damage and directional slitting, the structural composition and working principle of the abrasive jet directional cutting system were studied, the key components of the system were designed, and the field test was carried out on the basis of the optimal working parameters obtain by experiments. The main research results are as follows ① The effects and advantages and disadvantages of the three directional jointing schemes of pure water jet directional slitting, abrasive jet directional slitting and guided hydraulic fracturing are compared. Comparing the effects of various s of stitching, the technical solution of abrasive water jet as directional cutting was finally determined. ② The structural composition and working principle of the abrasive jet directional cutting system are studied and the structures and dimensions of key components such as water jet nozzles, cutting nozzles, directional device, conveyor, and abrasive supply system are designed. The FLUENT software was used to simulate the jet beam shape and velocity of different shape nozzles; the cone-straight nozzle was selected and the streamlined dual-jet cutting nozzle was designed. In order to achieve directional slitting, the centralizer and the rotary quick-connect connecting rod are designed separately, collectively called the locator. A high-pressure hose conveyor is designed, which can adjust the left-right displacement, horizontal deflection, and back-and-forth swing to adapt to the change in the number and position of the slits on the top plate. At the same time, it can effectively arrange the high-pressure hose and control the speed of the retractable function. A large-capacity abrasive supply system is designed, which can realize the four-hole cutting of one step of the working surface at one feeding. ③ The working parameters of abrasive jet directional cutting are optimized. A slit 万方数据 重庆大学硕士学位论文 IV experiment was carried out on rock samples taken from the roof of the coal mine site and the optimal working parameters of the directional cutting of the abrasive jet meeting the requirements of the N00 were determined jet pressure 25MPa, nozzle diameter 1.5mm 8, abrasive type yellow sand /Quartz sand, abrasive concentration 3.5, cutting speed 4.4mm/s. ④ The on-site slit test was carried out at S1201-II working face of a mine in Shaanxi Province. The results show that under the conditions of the optimal working parameters, the system can operate in 1 cycle time 50min and 1 step 840mm, synchronously directional slitting of 4 holes with a length of 7000-8000mm, to achieve fast and efficient directional cutting of the remaining roof. The development and application of this system has far-reaching significance for the promotion of N00 and other safe, efficient and economical coal mining s in China. Key words Gob-side entry retaining; roof cutting and pressure relief; N00 coal mining ; abrasive water-jet; directional slitting 万方数据 目 录 V 目 录 中中文文摘要摘要 ..........................................................................................................................................I 英文英文摘要摘要 ....................................................................................................................................... III 1 绪绪 论论........................................................................................................................................ 1 1.1 问题的提出问题的提出 .............................................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 ...................................................................................................................... 2 1.2.1 沿空留巷切顶技术研究现状 ........................................................................................... 2 1.2.2 高压水射流切割技术与应用研究现状 ........................................................................... 3 1.3 研究内容及技术路线研究内容及技术路线 .............................................................................................................. 5 1.3.1 研究内容 ........................................................................................................................... 5 1.3.2 技术路线 ........................................................................................................................... 5 2 定向切顶技术方案研究定向切顶技术方案研究 .................................................................................................. 7 2.1 功能需求及技术指标要求功能需求及技术指标要求 ..................................................................................................... 7 2.1.1 N00 工法简介 .................................................................................................................. 7 2.1.2 切顶功能需求 .................................................................................................................. 8 2.1.3 技术指标要求 .................................................................................................................. 8 2.2 切割顶板技术方案优选切割顶板技术方案优选 ......................................................................................................... 9 2.2.1 纯水射流定向切缝 .......................................................................................................... 9 2.2.2 磨料射流定向切缝 ........................................................................................................ 11 2.2.3 割缝导向压裂定向造缝 ................................................................................................ 14 1.3.3 定向切顶技术方案优选 ................................................................................................. 22 1.4 本章小结本章小结 ................................................................................................................................ 23 3 磨料射流定向切顶装置设计与研制磨料射流定向切顶装置设计与研制 ...................................................................... 25 3.1 系统组成与工作原理系统组成与工作原理 ........................................................................................................... 25 3.1.1 系统组成........................................................................................................................ 25 3.1.2 工作原理........................................................................................................................ 26 3.2 喷嘴喷嘴 ....................................................................................................................................... 27 3.2.1 淹没水射流束结构特性 ................................................................................................ 27 3.2.2 淹没射流下喷嘴流场仿真分析与结构优选 ................................................................ 28 3.3 切割喷头切割喷头 ............................................................................................................................... 32 3.4 定向器定向器 ................................................................................................................................... 36 3.5 输送机输送机 ................................................................................................................................... 38 万方数据 重庆大学硕士学位论文 VI 3.6 磨料供给系统磨料供给系统 ....................................................................................................................... 44 3.7 本章小结本章小结 ............................................................................................................................... 47 4 磨料射流定向切顶工艺参数研究磨料射流定向切顶工艺参数研究 ........................................................................... 49 4.1 实验装置与岩石试件介绍实验装置与岩石试件介绍 ................................................................................................... 49 4.2 实验步骤实验步骤 ............................................................................................................................... 50 4.3 实验结果及数据分析实验结果及数据分析 ........................................................................................................... 51 4.4 本章小结本章小结 ............................................................................................................................... 53 5 陕西某矿陕西某矿 S1201-2 工作面磨料射流定向切顶试验工作面磨料射流定向切顶试验 ...................................... 55 5.1 试验点概况试验点概况 ........................................................................................................................... 55 5.2 设备安装调试设备安装调试 ....................................................................................................................... 56 5.3 试验方法与步骤试验方法与步骤 ................................................................................................................... 57 5.4 试验结果及切缝效果分析试验结果及切缝效果分析 ................................................................................................... 58 5.5 本章小结本章小结 ............................................................................................................................... 60 6 结论与展望结论与展望 ........................................................................................................................... 61 6.1 结论结论 ....................................................................................................................................... 61 6.2 展望展望 ....................................................................................................................................... 62 参考文献参考文献 ...................................................................................................................................... 63 附附 录录 ...................................................................................................................................... 67 A. 作者在攻读硕士学位期间发表论文目录作者在攻读硕士学位期间发表论文目录 ............................................................................. 67 B. 作者在攻读硕士学位期间参加科研项目情况作者在攻读硕士学位期间参加科研项目情况 ...................................................................... 67 C. 学位论文数据集学位论文数据集 ..................................................................................................................... 68 致致 谢谢 ...................................................................................................................................... 69 万方数据 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 问题的提出 煤炭是中国主要的能源来源之一。中国煤炭的产、消量均为世界第一。2019 年中国原煤产量 37.5 亿吨，比上年增长 4.2。自 2011 年以来，中国煤炭消费占 比逐年下降，到了 2018 年，中国煤炭消费占比仅为 59。虽然煤炭比重在逐年下 降，但是，由于煤炭资源稳定、价格低廉、对环境破坏的可控性，意味着在未来 一个较长的时期内， 煤炭仍持续处于我国能源的主体地位。 因此研究和开发安全、 高效、节约资源的煤炭开采方法具有重要意义[1–5]。 在煤炭传统开采 121 工法当中，需要预先挖掘相应巷道，留设煤柱，即每个 工作面需要掘进两条顺槽，留设一列煤柱。区段内多个采煤工作面一般按顺序依 次开采，相邻工作面之间需要留设煤柱隔离采空区。留设煤柱的尺寸通常在 20m 左右[6]。该工法的万吨掘进率低，留设的煤柱浪费大量煤炭资源。同时煤柱形成的 集中应力容易引起围岩变形、冲击地压等矿井灾害。 为了解决传统煤矿开采方法中资源浪费的问题，中国从 1970 年代开始引入无 煤柱开采技术，并于 1980 年代引入了相关法规。无煤柱开采技术由于其施工工艺 简单，成本效益高，资源回收率高等优点而被广泛应用于矿山。在实际应用中， 主要有诸如沿空掘巷和沿空留巷等技术[7]。 其中沿空留巷是某一区域煤炭开采工作完成后以一定方式保留原有的巷道， 通过采用专业技术手段保护采煤工作面的原巷道，把维护区段之间的运输巷道作 为回风巷，并使用该巷道作为下一个区域的采矿工作的回采巷道，其间不留设煤 柱。当前，沿空留巷主要分为切顶卸压沿空留巷与巷帮充填沿空留巷两种方法。 在实际施工过程中要求的地质条件不一样，适用范围亦不相同。 图 1.1 切顶卸压沿空留巷示意图 Fig.1.1 Schematic diagram of cutting roof and pressure relief on gob-side entry retaining 万方数据 重庆大学硕士学位论文 2 对于切顶卸压沿空留巷（图 1.1）来说, 该方法主要适用于硬薄煤层，中厚煤 层及高瓦斯矿。在沿空巷道切顶卸压的施工过程中，必须结合巷道围岩的地质条 件，采取定向切顶技术，及时切断巷道外直接顶，以减轻负荷，使承重关键层可 以沿着预先形成的裂缝垮落，形成坚固的巷帮。 切顶卸压沿空留巷除了要求定向有效切顶外，还要求很高的切顶效率。为了 不影响长壁工作面的正常推进，需要在工作面一个循环时间内对一个步距长度的 8-10m 厚度的巷道顶板进行定向切割。 此外， 还要求切顶时不能对顶板岩石造成破 坏而影响巷道顶板的完整性。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 沿空留巷切顶技术研究现状 沿空留巷切顶卸压技术在煤矿的应用，可以有效的提高煤矿采掘的安全性， 提高劳动效率, 从而提高煤矿采掘的整体经济效益。因此, 研究和推广沿空留巷切 顶技术对我国研究和开发安全、高效、节约资源的煤炭开采方法具有深远意义。 目前已有大量学者在沿空留巷与切顶技术方面开展研究，具体如下 何满潮等[8,9]认为“支、切、护、封”是沿空留巷定向切顶的关键，并结合陕 西某矿实际情况，分析了沿空留巷聚能爆破定向切顶机理，得到相邻炮孔裂缝贯 通判据条件。 谢小平等[10]从现场工作面的实际情况出发，提出采用预裂爆破实现定向切顶, 并探究了切顶卸压爆破的炮孔布置参数。 李斌[11]为解决官地煤矿某工作面巷道切顶卸压围岩不稳定等问题，采用理论 分析、数值仿真等方法研究了聚能爆破切顶工艺参数。 张国锋等[12]认为对垮落带内坚硬层顶板进行合理参数条件的定向切缝，可使 得采空区边界直接顶和基本顶失去约束，并沿切缝结构面剪切断裂充分垮落直接 顶。 王茂盛[13]等利用采场周期来压结合预裂爆破，控制住了基本顶的回转及下沉 变形同时实现定向切顶。黄洁等[14]采用预裂爆破实现了坚硬顶板定向切顶。杨风 才等[15] 使用双向聚能爆破技术进行预裂爆破， 使巷道顶板按照预设方向张拉预裂 成缝，采空区沿裂缝面垮落，有效减小了对留巷段顶板的载荷。 孙晓明[16]等研究了薄煤层工作面顶板的受力状态，明确了切顶卸压的关键因 素为预裂爆破切顶角度、切顶高度以及爆破孔间距。其研究结果得出，当采空区 高度远小于直接顶岩层厚度时，切顶面应该向采空区一侧偏转一定的角度。王维 维等[17] 应用深孔爆破技术进行定向切顶，大大降低了顶板载荷对护巷体的影响。 王海钢[18] 通过数值仿真、理论研究以及现场实践的方法对坚硬顶板聚能爆破 万方数据 1 绪 论 3 切顶技术进行研究。 其研究表明 炮孔直径跟裂隙长度与单元应力峰值呈正相关， 随着径向不耦合系数的增加，裂隙长度与岩体单元应力峰值均呈现先增加而后减 小的趋势。 胡超文等[19]研究了爆破切顶高度与角度对围岩应力的影响。在特定切顶角度 与高度条件下，可以使得应力集中区域向煤体深处转移，起到切顶卸压的作用。 陈上元等[20]采用理论研究、数值仿真和现场试验等手段，对切顶沿空留巷关键参 数进行了研究。 贺纯纯[21]运用理论分析、实验室实验、数值仿真和现场试验等途径，深入分 析了预裂爆破原理和成缝机理，重点研究了预裂爆破参数的优化。高玉兵[22]根据 爆轰应力分布特征，得到了聚能爆破机理与力学模型。王进等[23]研究表明在无煤 柱切顶卸压自成巷中, 采用双向聚能拉伸爆破手段, 不但能消除留巷围岩的高应 力, 又能使采空区上覆岩层沿切缝线自由垮落形成新巷帮。 但是过多的装药量和联 孔爆破会积聚爆炸能量, 致使爆炸能量过高, 导致出现局部塌孔和炮坑的现象, 破 坏了留巷顶板的完整性。 以上学者的研究表明，定向预爆破是目前煤矿常用且有效的沿空留巷切顶卸 压技术手段。该方法是通过一种“双向聚能张拉爆破装置”进行定向预爆破，使 孔壁在炮轰产物作用下沿预设方向集中受拉, 非预设方向均匀受压, 使得岩体拉 张断裂。但是该方法同时存在钻孔角度难控制、巷道顶板高度起伏大等原因造成 对裂缝面质量难控制的问题。此外爆破能量利用率低，且爆破后的岩体破坏不均 匀而被重新压实，深孔松动爆破后会产生一个较大压缩圈的现象，最终会影响留