【摘要】：針對復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造薄煤層開采中存在的工作空間狹小、刀具磨損嚴(yán)重、開采效率低下等難題,課題組提出引入磨料漿體射流技術(shù),聯(lián)合機(jī)械刀具破巖,解決上述開采難題,實現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)薄煤層的安全高效開采。其中,磨料漿體射流破巖機(jī)理的研究是基礎(chǔ)部分,也是關(guān)鍵部分。為揭示磨料漿體射流破巖機(jī)理,本文系統(tǒng)開展了磨料漿體射流沖擊巖石應(yīng)力應(yīng)變分布研究。主要內(nèi)容包括:研究磨料漿體射流流場特性,分析了射流和顆粒的速度場和空間分布;在此基礎(chǔ)上,建立磨料射流沖擊巖石靜態(tài)應(yīng)力分布模型,探索在射流沖擊下巖石應(yīng)力集中形式,分析巖石的破碎區(qū)域及其破碎方式,并開展磨料漿體射流沖擊巖石靜態(tài)應(yīng)力分布的數(shù)值模擬,驗證上述應(yīng)力分布模型的正確性及可靠性;開展磨料漿體射流破巖動態(tài)應(yīng)變分布的數(shù)值模擬研究,運用非接觸式全場應(yīng)變測量系統(tǒng)開展磨料漿體射流破巖動態(tài)應(yīng)變分布測量實驗,并從巖石應(yīng)力波傳播規(guī)律出發(fā)建立動態(tài)應(yīng)變分布數(shù)學(xué)模型,掌握射流破巖時巖石內(nèi)部的動態(tài)應(yīng)變分布規(guī)律,同時探索動態(tài)應(yīng)變分布的形成原因;最后,開展磨料漿體射流破巖效率研究,掌握射流參數(shù)對破巖效率的影響規(guī)律,建立了破巖效率預(yù)測模型。通過開展上述一系列研究工作,得出了以下主要結(jié)論:(1)漿體和磨料的速度變化過程分為噴嘴收縮段的急速加速過程、噴嘴直線段的平穩(wěn)加速過程以及空氣域的緩慢減速過程;射流結(jié)構(gòu)的變化過程分為收斂段、過渡段以及發(fā)散段;射流壓力對射流速度的影響最大,其次是靶距,高聚物濃度對射流速度的影響最小。(2)磨料漿體射流沖擊巖石存在四個應(yīng)力集中區(qū)域:磨料顆粒中心的巖石表面出現(xiàn)壓縮應(yīng)力集中,磨料顆粒邊緣的巖石表面出現(xiàn)拉伸應(yīng)力集中,漿體射流邊緣的巖石表面出現(xiàn)拉伸應(yīng)力集中,顆粒軸線的巖石表面下方出現(xiàn)剪切應(yīng)力集中;隨著漿體射流和磨料顆粒速度的增加,上述四個區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力逐漸增加,其中,最大剪切應(yīng)力首先超過巖石的抗剪強(qiáng)度,巖石發(fā)生剪切失效破碎,此時的速度大約是25m/s;磨料顆粒周圍的巖石應(yīng)力分布由磨料顆粒的沖擊作用主導(dǎo),但隨著距離的增加,磨料顆粒的沖擊作用產(chǎn)生的影響急劇降低,漿體射流周圍的巖石應(yīng)力分布由射流的沖擊作用主導(dǎo)。(3)磨料漿體射流破碎巖石的動態(tài)應(yīng)力分布在空間域內(nèi)表現(xiàn)為沖擊作用在巖石表面產(chǎn)生的應(yīng)力集中以應(yīng)力波的形式在巖石內(nèi)部傳播,且隨著距離的增加,應(yīng)力迅速減小;磨料漿體射流破碎巖石的動態(tài)應(yīng)力分布在時間域內(nèi)存在較大的波動,是由巖石發(fā)生破碎的瞬間釋放了巖石內(nèi)部的應(yīng)力引起的,也證明了巖石的階躍破碎過程。(4)沖擊角度對煤巖的破碎坑寬度有顯著性影響;而沖擊時間、射流壓力和沖擊角度對煤巖破碎坑深度有顯著性影響;射流壓力、沖擊角度、沖擊時間和高聚物濃度對基于破碎坑寬度破巖效率具有顯著性,而沖擊時間、射流壓力、沖擊角度對基于深度破巖效率的影響具有顯著性;建立了破碎坑寬度和深度以及基于兩者的射流破巖效率的預(yù)測模型,量化沖擊參數(shù)對破巖效率的影響。本文的研究結(jié)論能夠補充完善磨料射流破巖機(jī)理,也可以為磨料漿體射流聯(lián)合刀具對復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造薄煤層的安全高效開采提供理論基礎(chǔ),進(jìn)而推廣磨料射流技術(shù)在煤炭開采領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用,具有重要的學(xué)術(shù)理論和實際應(yīng)用價值。
【圖文】：

（3）江蘇省研究生創(chuàng)新計劃項目：磨料漿體射流破巖應(yīng)力分布研究（項目編號：KYLX16_0522）。1.2 研究背景及意義（Research Background and Significance）我國薄煤層分布廣泛，超過 85%以上的礦區(qū)均有薄煤層（1.3 米以下），可采儲量達(dá) 61.5 億噸，約占煤炭總可采儲量的 19%[1-2]。近幾年，隨著厚與中厚煤層不斷地被采掘，全國各礦業(yè)集團(tuán)都面臨薄煤層開采的難題[3-5]：1）工作空間狹小，要求開采設(shè)備尺寸較小，且性能可靠、適應(yīng)性強(qiáng)，如圖 1-1 所示；2）煤層賦有夾矸、斷層等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤巖硬度大，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，如圖 1-2 所示；3）目前針對地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的薄煤層只能用炮采工藝，但其安全性、效率較低。因此，迫切需要一種新技術(shù)實現(xiàn)薄煤層的機(jī)械化安全高效開采。然而目前，薄煤層開采主要使用滾筒采煤機(jī)（圖 1-3），依靠安裝在滾筒上的截齒與煤壁作用進(jìn)行采煤，但在狹小空間內(nèi)難以克服“小機(jī)身、大功率”的矛盾，無法應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造（包含硬夾矸、斷層以及金屬化合物結(jié)核等）薄煤層的開采[6-7]。因此，亟需開展薄煤層高效截割基礎(chǔ)研究，解決復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造薄煤層開采難題。

圖 1-2 薄煤層的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造 圖 1-3 薄煤層采煤機(jī)滾筒Figure 1-2 Complex geologic structure of the thin seam Figure 1-3 Thin seam shearer dru磨料漿體射流（Abrasive slurry jet, ASJ）具有能量密度高，切割能力強(qiáng)作壓力小、適應(yīng)危險環(huán)境作業(yè)等特點，在眾多的理論與實驗研究中已展現(xiàn)出的破巖性能，成為了一種新型的硬巖截割工具[8-11]。因此，將磨料漿體射流引入復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造薄煤層的開采中，利用磨料漿體射流聯(lián)合機(jī)械刀具進(jìn)行煤割，可以解決薄煤層采煤設(shè)備“小機(jī)身、大功率”的矛盾，，從而實現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)薄煤層的安全高效開采。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TD311

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2652786