【摘要】：作為我國(guó)第173個(gè)礦種,天然氣水合物資源量豐富,是一種高效清潔能源,也是未來(lái)全球能源發(fā)展的重要方向。固態(tài)流化開采是我國(guó)首創(chuàng)的海底非成巖水合物安全綠色高效開采新思路,而其中海底采掘部分又是該工藝能否達(dá)到商業(yè)化產(chǎn)氣量的關(guān)鍵。本文針對(duì)采掘破碎方式之一的機(jī)械絞吸式破碎,開展了絞吸式刀頭上單個(gè)刀齒對(duì)水合物礦體的破碎性能研究,是下一步絞吸式破碎刀頭設(shè)計(jì)和優(yōu)化的重要基礎(chǔ)。所開展的主要研究工作如下:(1)針對(duì)室內(nèi)合成海底天然氣水合物成本高、周期長(zhǎng)且常溫常壓易分解的問(wèn)題,配制了兩種分別用于替代平均強(qiáng)度水平與峰值強(qiáng)度水平的海底非成巖水合物相似破碎材料,為本文及后續(xù)破碎性能實(shí)驗(yàn)和工具優(yōu)化提供了快速低成本樣品�？紤]到破碎性能研究主要關(guān)注水合物破碎時(shí)的體積、速度和粒度分布,而在海底原位環(huán)境時(shí)水合物不易發(fā)生相態(tài)變化,本文提出基于相似理論采用具有相似力學(xué)性質(zhì)的材料代替海底非成巖水合物開展破碎實(shí)驗(yàn)。通過(guò)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、三軸剪切實(shí)驗(yàn)、巴西劈裂等實(shí)驗(yàn)研究,得到了所配制樣品的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、抗拉強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù),對(duì)比水合物相應(yīng)特性參數(shù),確定了分別針對(duì)平均強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度水合物的兩種配方,掌握了相應(yīng)配制工藝和方法,繪制了以骨料含量、膠結(jié)物中石膏含量為變量的相似材料配制圖板,為后續(xù)工作提供了破碎樣品和寶貴的配方數(shù)據(jù)。(2)在所配制水合物破碎樣品的基礎(chǔ)上,開展了刀齒破碎實(shí)驗(yàn),得到了單齒切削寬度、切削深度、前刃面角、側(cè)傾角、切削速度以及材料力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)對(duì)切削載荷和切削比能的影響規(guī)律,為機(jī)械絞吸式刀頭單齒的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。針對(duì)全尺寸機(jī)械絞吸式刀頭破碎實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題,擬合了切削深度、切削寬度等參數(shù)與切削力的二項(xiàng)式方程。驗(yàn)證了 Evans二維拉伸破碎模型在大前刃面角工況下的適應(yīng)性,并對(duì)小前刃面角工況下的Goktan擠壓破碎模型進(jìn)行了修正,為全尺寸機(jī)械絞吸式刀頭破碎時(shí)切削力的計(jì)算仿真奠定了理論基礎(chǔ)。(3)在水合物樣品單齒破碎實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,通過(guò)開展不同切削參數(shù)和刀齒結(jié)構(gòu)下水合物樣品破碎后粒徑分布的研究,得到了各參數(shù)對(duì)水合物破碎后粒徑分布的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在所關(guān)注參數(shù)中切削深度是影響水合物破碎后粒徑分布的最主要因素,側(cè)傾角10°楔形齒破碎效果最佳,最大粒徑、大粒徑組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)等均低于其它齒型,為機(jī)械絞吸式破碎刀頭的單齒優(yōu)化設(shè)計(jì)和選型提供了依據(jù)。(4)基于D-P強(qiáng)度準(zhǔn)則創(chuàng)建了海底非成巖水合物破碎數(shù)值模型,基于該模型采用ABAQUS軟件開展了海底非成巖水合物破碎的仿真分析,并結(jié)合水合物樣品破碎實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了修正。使用修正后的模型開展了機(jī)械絞吸式刀頭組合刀齒破碎的仿真研究。為后續(xù)海底非成巖水合物的機(jī)械破碎仿真研究、機(jī)械絞吸式刀頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了仿真模型和方法。本文研制了兩種海底非成巖天然氣水合物破碎樣品,通過(guò)樣品單齒破碎實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)了切削參數(shù)對(duì)破碎粒徑和載荷的影響規(guī)律,找到了影響水合物破碎粒徑的主控因素,創(chuàng)建了海底非成巖水合物數(shù)值模擬的仿真模型并使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了修正,研究成果為海底非成巖水合物機(jī)械絞吸式破碎刀頭的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論和方法,對(duì)海底非成巖水合物機(jī)械式采掘的研究具有支撐作用。
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：P744.4
【圖文】：

圖１－１固態(tài)流化開采原理圖逡逑１

圖１－２海底米掘車不意圖逡逑

圖１－３絞吸式破碎刀頭逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2746295