本文關(guān)鍵詞：礦山多層空區(qū)探測用反循環(huán)鉆頭的試驗研究

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【摘要】：采空區(qū)是人類進行地下挖掘或地質(zhì)構(gòu)造運動形成的地下空洞,具有極強的隱伏性、空間分布規(guī)律異常、采空區(qū)頂板坍塌難以預測等特點,是礦山露天開采安全事故的主要危害源之一。因此,為確保露天開采的安全生產(chǎn),對地下不明采空區(qū)的精準探測意義重大。目前國際上三維激光掃描探測工藝與鉆探相結(jié)合在空區(qū)探測中應用相當成功,但在多層空區(qū)鉆探領(lǐng)域還有諸多問題尚未解決。采用貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進工藝能夠?qū)Χ鄬涌諈^(qū)進行鉆探,將C-ALS三維激光掃描儀通過雙壁鉆桿中心通道下放至空區(qū)內(nèi)部實現(xiàn)精確探測。其中貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進系統(tǒng)中反循環(huán)鉆頭是形成反循環(huán)的關(guān)鍵部件,同時其要直接接受活塞沖擊力并將應力波傳至巖體實現(xiàn)破碎巖石的效果。鉆至多層空區(qū)時,反循環(huán)鉆頭通過其獨特的流體通道設(shè)計能夠?qū)⒖椎讕r渣屑帶入雙壁鉆桿中心通道并上返至地表,因此鉆孔中斷不影響鉆具的正常鉆進。與此同時,多層空區(qū)探測用反循環(huán)鉆頭需滿足C-ALS三維激光掃描儀器的下放要求和防卡堵功能。因此,在多層空區(qū)探測工藝中,專用反循環(huán)鉆頭應具有較好的反循環(huán)效果、較強的抗沖擊能力,并且滿足工藝使用要求和功能,為解決多層空區(qū)探測難題奠定基礎(chǔ)。本文依據(jù)袁家村鐵礦山多層空區(qū)探測項目研發(fā)多層空區(qū)探測工藝專用反循環(huán)頭,創(chuàng)新設(shè)計了滑塊式反循環(huán)鉆頭。該鉆頭設(shè)計結(jié)構(gòu)為大通道直徑中心通道、雙排內(nèi)噴孔結(jié)構(gòu)和滑塊結(jié)構(gòu),其中滑塊結(jié)構(gòu)更是首次在反循環(huán)鉆頭上使用。因此,深入研究滑塊式反循環(huán)鉆頭的反循環(huán)機理和鉆頭體的應力分布,對鉆具系統(tǒng)整體工作性能穩(wěn)定極為重要。首先,對新設(shè)計的滑塊式反循環(huán)鉆頭流體通道進行正交試驗設(shè)計和CFD數(shù)值模擬試驗研究。對中心通道直徑D2、雙排內(nèi)噴孔直徑D1、傾角θs、偏轉(zhuǎn)角θd四個因素進行正交試驗設(shè)計,觀察各因素對外環(huán)抽吸量M環(huán)的影響,通過極差分析和方差分析得出各因素的主次順序和顯著水平,最后通過趨勢圖對優(yōu)方案進行趨勢分析;通過CFD數(shù)值模擬分析對中心通道直徑D2和雙排內(nèi)噴孔直徑D1對外環(huán)抽吸量M環(huán)影響規(guī)律進行詳細分析,以獲取最優(yōu)方案。利用ANSYS LS-DYNA對滑塊式反循環(huán)鉆頭體進行應力分析,并對滑塊結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)受力優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化出最優(yōu)滑塊結(jié)構(gòu)以滿足鉆孔施工要求,為后續(xù)的鉆頭實體設(shè)計提供可靠的理論基礎(chǔ)。其次,通過實際鉆孔試驗觀察滑塊式反循環(huán)鉆頭使用性能,在試驗中反循環(huán)效果較好,鉆進效率較高,在極其破碎地層平均鉆進效率達到33.75m/h,堅硬地層平局鉆進效率達到10.17m/h。采用滑塊式反循環(huán)鉆頭進行鉆進有效解決中心通道卡堵問題,滑塊結(jié)構(gòu)滿足鉆孔施工要求。成功將多層空區(qū)頂板鉆穿,并通過中心通道實現(xiàn)C-ALS三維激光掃描儀器的下放,解決多層空區(qū)的鉆探和掃描同步進行的難題。最后,為進一步提高反循環(huán)效果,本文提出窄縫內(nèi)噴孔結(jié)構(gòu)和環(huán)槽內(nèi)噴孔結(jié)構(gòu)兩種新型反循環(huán)結(jié)構(gòu),并通過數(shù)值模擬分析簡單的對兩種反循環(huán)結(jié)構(gòu)流場和應力場進行分析,為后續(xù)的反循環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考和指引。
【關(guān)鍵詞】：多層空區(qū)探測工藝 貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進工藝 C-ALS三維激光掃描儀 滑塊式反循環(huán)鉆頭 正交試驗 CFD數(shù)值模擬 ANSYS LS-DYNA
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD41
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-23
• 1.1 論文研究背景10-13
• 1.2 反循環(huán)鉆頭研究現(xiàn)狀13-15
• 1.3 空區(qū)探測國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-20
• 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀17-20
• 1.4 論文研究的意義與內(nèi)容20-22
• 1.4.1 論文研究的意義20-21
• 1.4.2 論文研究內(nèi)容21-22
• 1.5 本章小結(jié)22-23
• 第2章 多層空區(qū)探測用滑塊式反循環(huán)鉆頭概述23-35
• 2.1 多層空區(qū)探測工藝23-27
• 2.1.1 多層空區(qū)探測工藝原理23-25
• 2.1.2 C-ALS三維激光掃描儀25-27
• 2.2 滑塊式反循環(huán)鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計27-34
• 2.2.1 反循環(huán)形成機理27-30
• 2.2.2 滑塊式反循環(huán)鉆頭的設(shè)計要求30-32
• 2.2.3 滑塊式反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計特點32-34
• 2.3 本章小結(jié)34-35
• 第3章 滑塊式反循環(huán)鉆頭的數(shù)值模擬分析35-62
• 3.1 滑塊式反循環(huán)鉆頭的流場分析35-49
• 3.1.1 滑塊式反循環(huán)鉆頭流場通道介紹35
• 3.1.2 反循環(huán)鉆頭內(nèi)部流場研究現(xiàn)狀35-37
• 3.1.3 CFD數(shù)值模擬分析概述37-38
• 3.1.4 CFD數(shù)值模擬分析步驟38-41
• 3.1.5 正交試驗設(shè)計41-44
• 3.1.6 Fluent結(jié)果分析44-49
• 3.2 滑塊式反循環(huán)鉆頭的應力場分析49-61
• 3.2.1 沖擊動力學控制方程50-51
• 3.2.2 滑塊式反循環(huán)鉆頭沖擊模擬前處理51-53
• 3.2.3 ANSYS-LSDYNA結(jié)果分析53-61
• 3.3 本章小結(jié)61-62
• 第4章 滑塊式反循環(huán)鉆頭在多層空區(qū)探測中的應用62-78
• 4.1 礦區(qū)概況62
• 4.1.1 礦區(qū)地層情況62
• 4.2 礦區(qū)采空區(qū)概況62-63
• 4.2.1 太鋼袁家村鐵礦采空區(qū)現(xiàn)狀62-63
• 4.2.2 袁家村鐵礦山采空區(qū)探測現(xiàn)狀63
• 4.3 試驗目的63-64
• 4.4 試驗設(shè)備與機具64-67
• 4.5 多層空區(qū)探測工藝現(xiàn)場試驗67-75
• 4.5.1 第一階段試驗67-72
• 4.5.2 第二階段試驗72-74
• 4.5.3 第三階段試驗74-75
• 4.6 試驗總結(jié)75-77
• 4.7 本章小結(jié)77-78
• 第5章 幾種新型反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究78-93
• 5.1 窄縫式反循環(huán)結(jié)構(gòu)78-82
• 5.1.1 仿真模型設(shè)計78-79
• 5.1.2 Fluent結(jié)果分析79-82
• 5.2 環(huán)槽式反循環(huán)結(jié)構(gòu)82-86
• 5.2.1 仿真模型設(shè)計82-83
• 5.2.2 Fluent結(jié)果分析83-86
• 5.3 幾種反循環(huán)鉆頭總結(jié)86-92
• 5.3.1 流場分析86-88
• 5.3.2 應力場分析88-92
• 5.4 本章小結(jié)92-93
• 第6章 結(jié)論與展望93-96
• 6.1 結(jié)論93-95
• 6.2 展望95-96
• 參考文獻96-100
• 作者簡介及攻讀碩士學位期間獲得的成果100-101
• 致謝101

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