本文關(guān)鍵詞：快速鉆孔用潛孔錘反循環(huán)鉆頭設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

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【摘要】：煤炭工業(yè)是關(guān)系國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈和能源安全的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。雖然近些年來(lái)我國(guó)一直在對(duì)能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，削減煤炭在能源消費(fèi)量中的比重。但是煤炭在一次能源結(jié)構(gòu)中的比例依然保持在60%以上，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，煤炭將作為我國(guó)主體能源的地位不會(huì)動(dòng)搖。由于我國(guó)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜多變,煤炭生產(chǎn)總體技術(shù)水平較低,導(dǎo)致煤炭開采過程中經(jīng)常發(fā)生各種災(zāi)害事故,造成國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命的巨大損失，煤炭行業(yè)已然成為我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中傷亡事故最嚴(yán)重的行業(yè)。 有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，雖然在我國(guó)煤炭產(chǎn)量和消費(fèi)量逐年增加的情況下，每年因煤炭生產(chǎn)的死亡總?cè)藬?shù)和百萬(wàn)噸死亡率在逐年下降。尤其是隨著近些年來(lái)國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的重視，相關(guān)的法律法規(guī)體系在逐步完善，安全管理基礎(chǔ)工作進(jìn)一步加強(qiáng)，全國(guó)范圍內(nèi)的煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)呈現(xiàn)出持續(xù)穩(wěn)定好轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。但是我國(guó)安全生產(chǎn)狀況和世界先進(jìn)產(chǎn)煤國(guó)家相比較還有很大差距。分析原因，除了我國(guó)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，開采難度大，采煤機(jī)械化程度與先進(jìn)產(chǎn)煤國(guó)家差距較大之外，救援技術(shù)和裝備水平也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后其他先進(jìn)產(chǎn)煤國(guó)家。 本文針對(duì)礦區(qū)復(fù)雜破碎地層條件下，應(yīng)急救援快速鉆孔效率低、孔內(nèi)事故多發(fā)的問題，提出將空氣潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于煤礦應(yīng)急救援快速鉆孔中�；诳贫鬟_(dá)附壁效應(yīng)原理設(shè)計(jì)了適用于礦區(qū)復(fù)雜地層的新型環(huán)狀噴射強(qiáng)力抽吸式潛孔錘反循環(huán)鉆頭。通過數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)的手段對(duì)環(huán)狀噴射式反循環(huán)鉆頭的抽吸特性和反循環(huán)形成效果進(jìn)行了研究，并且與現(xiàn)有的內(nèi)噴孔引射式反循環(huán)鉆頭進(jìn)行了對(duì)比分析，本文的研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下： （1）總結(jié)近些年來(lái)礦山救援的成功案例發(fā)現(xiàn)，多采用空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)。然而，從正循環(huán)鉆井技術(shù)實(shí)踐來(lái)看，當(dāng)遇到破碎、裂隙等復(fù)雜地層時(shí)，壓縮空氣完全漏失到地層當(dāng)中，無(wú)法形成循環(huán)，這樣就造成了鉆進(jìn)過程中排渣困難，風(fēng)量消耗大，甚至鉆進(jìn)無(wú)法進(jìn)行。而鑒于空氣潛孔錘反循環(huán)鉆探技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，將其推廣應(yīng)用至今后的礦山救援、救生中，可以有效解決在有些工況下正循環(huán)無(wú)法鉆進(jìn)的難題。將對(duì)提高我國(guó)應(yīng)急救援快速鉆孔的工藝技術(shù)及裝備水平具有重要意義。 （2）空氣潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在生產(chǎn)與施工中的應(yīng)用，為鉆探領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，反循環(huán)鉆頭作為該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵性部件也起到了較好的作用效果。野外試驗(yàn)表明，應(yīng)用內(nèi)噴孔引射式反循環(huán)鉆頭在裂隙發(fā)育、漏失地層鉆進(jìn)時(shí)，由于反循環(huán)鉆頭底噴孔的引射功能失效，反循環(huán)效果較差，孔底巖屑（樣）不能及時(shí)從鉆桿中心通道上返至地表，有相當(dāng)一部分巖屑（樣）正循環(huán)漏失到地層當(dāng)中，巖心采取率低。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)反循環(huán)鉆頭采取了封堵底噴孔和改變內(nèi)噴孔位置的措施，但實(shí)際的反循環(huán)效果依然不理想。因此，反循環(huán)鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)仍需進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化。 （3）通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，空氣放大器和雙級(jí)環(huán)隙式消泡器的環(huán)狀噴嘴結(jié)構(gòu)，由于附壁效應(yīng)不僅可以改變氣體的流動(dòng)方向，并且在其內(nèi)部能夠形成較大的負(fù)壓區(qū)，可對(duì)外界氣體產(chǎn)生較強(qiáng)的抽吸作用。因此，在反循環(huán)鉆頭的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，將傳統(tǒng)的內(nèi)噴射孔結(jié)構(gòu)改為環(huán)狀噴射的結(jié)構(gòu)，提出了新型環(huán)狀噴射式反循環(huán)鉆頭的結(jié)構(gòu)。 （4）通過FLUENT流體動(dòng)力學(xué)軟件，以直徑是Φ180mm的反循環(huán)鉆頭為例。對(duì)內(nèi)噴孔引射式反循環(huán)鉆頭和新型環(huán)狀噴射式反循環(huán)鉆頭的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬結(jié)果表明，不論是否存在底噴孔，環(huán)狀噴射式結(jié)構(gòu)的反循環(huán)鉆頭較內(nèi)噴孔引射式反循環(huán)鉆頭而言，能在鉆頭體內(nèi)部產(chǎn)生更大的負(fù)壓，對(duì)環(huán)空流體的抽吸作用也更強(qiáng)，抽吸系數(shù)是內(nèi)噴孔引射式鉆頭的1.3倍左右。 （5）總結(jié)了多工藝沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)課題組根據(jù)不同的研究?jī)?nèi)容，設(shè)計(jì)研制的4套反循環(huán)模擬試驗(yàn)裝置及各試驗(yàn)裝置的特點(diǎn)。結(jié)合以往反循環(huán)模擬試驗(yàn)器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和本項(xiàng)目的要求，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了JJ-180-00反循環(huán)模擬試驗(yàn)器。詳細(xì)介紹了試驗(yàn)器的各個(gè)組成部分及整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)所用的試驗(yàn)設(shè)備、測(cè)試儀器儀表等。 （6）利用圖形化的編程語(yǔ)言LabVIEW的平臺(tái)建立了多通道流量壓力數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)，可對(duì)反循環(huán)鉆頭的孔底壓力和抽吸流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并且能夠簡(jiǎn)單快捷的記錄存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)內(nèi)，方便日后的調(diào)用查看。 （7）采用逐步優(yōu)化的方式，，在JJ-180-00模擬試驗(yàn)器上，對(duì)環(huán)狀噴射式結(jié)構(gòu)的反循環(huán)鉆頭進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，對(duì)于直徑為Φ180mm的鉆頭，環(huán)狀噴嘴的間隙為1mm時(shí)效果最佳；噴嘴距離孔底越低，噴射角度越小，抽吸特性和反循環(huán)效果越好。 （8）通過對(duì)稱封堵內(nèi)噴孔的方式，對(duì)不同過流斷面積的內(nèi)噴孔引射式反循環(huán)鉆頭進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果顯示，對(duì)稱減少內(nèi)噴孔個(gè)數(shù)（減小過流斷面積）能夠提高鉆頭的抽吸性能，但是過流斷面積過小容易造成進(jìn)氣口的憋壓。 （9）在相同過流斷面積的條件下，對(duì)比分析內(nèi)噴孔引射式和新型環(huán)狀噴射式反循環(huán)鉆頭的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，環(huán)狀噴射式結(jié)構(gòu)的反循環(huán)鉆頭抽吸特性和反循環(huán)形成效果要優(yōu)于內(nèi)噴孔引射式的結(jié)構(gòu)。
【關(guān)鍵詞】：快速鉆孔 貫通式潛孔錘 環(huán)狀噴射 反循環(huán)鉆頭 抽吸性能
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P634.41
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 緒論14-28
• 1.1 選題背景14-16
• 1.2 論文研究的目的和意義16-17
• 1.3 應(yīng)急救援快速鉆孔技術(shù)概述17-20
• 1.3.1 應(yīng)急救援快速鉆孔技術(shù)國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀17-18
• 1.3.2 應(yīng)急救援快速鉆孔技術(shù)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀18-19
• 1.3.3 應(yīng)急救援快速鉆孔技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)19-20
• 1.4 空氣潛孔錘反循環(huán)鉆頭國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀20-26
• 1.4.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀20-24
• 1.4.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀24-26
• 1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容和研究方法26-27
• 本章小結(jié)27-28
• 第2章 環(huán)狀噴射式反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)28-38
• 2.1 內(nèi)噴孔引射式反循環(huán)鉆頭野外試驗(yàn)總結(jié)28-30
• 2.2 科恩達(dá)附壁效應(yīng)及相關(guān)應(yīng)用30-34
• 2.2.1 附壁效應(yīng)原理31-32
• 2.2.2 空氣放大器的結(jié)構(gòu)原理32-33
• 2.2.3 雙級(jí)環(huán)隙式機(jī)械消泡器的結(jié)構(gòu)原理33-34
• 2.3 環(huán)狀噴射式反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)34-37
• 2.3.1 內(nèi)置管式環(huán)狀噴射結(jié)構(gòu)34-35
• 2.3.2 組合心管式環(huán)狀噴射結(jié)構(gòu)35-37
• 本章小結(jié)37-38
• 第3章 反循環(huán)鉆頭內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬38-64
• 3.1 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)概述38-39
• 3.2 反循環(huán)鉆頭內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬求解過程39-46
• 3.2.1 基本假定39
• 3.2.2 控制方程的建立39-41
• 3.2.3 幾何模型的建立41-44
• 3.2.4 網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)置44-45
• 3.2.5 模型求解與監(jiān)測(cè)曲線45-46
• 3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析46-63
• 3.3.1 無(wú)底噴孔時(shí)反循環(huán)鉆頭內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)比分析46-55
• 3.3.2 有底噴孔時(shí)反循環(huán)鉆頭內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)比分析55-63
• 本章小結(jié)63-64
• 第4章 JJ-180-00 反循環(huán)模擬試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)64-88
• 4.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)研制背景64-69
• 4.1.1 空氣反循環(huán)連續(xù)取心（樣）模擬試驗(yàn)器64-65
• 4.1.2 大直徑反循環(huán)鉆頭井底流動(dòng)模擬試驗(yàn)器65-66
• 4.1.3 引射器式反循環(huán)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器66-67
• 4.1.4 FZS-89-00 反循環(huán)鉆頭模擬試驗(yàn)器67-69
• 4.2 JJ-180-00 反循環(huán)模擬試驗(yàn)器的設(shè)計(jì)69-74
• 4.2.1 試驗(yàn)器的設(shè)計(jì)目的69-70
• 4.2.2 試驗(yàn)器的結(jié)構(gòu)原理70-71
• 4.2.3 JJ-180-00 反循環(huán)模擬試驗(yàn)器的組成部分71-74
• 4.3 試驗(yàn)系統(tǒng)的組成74-86
• 4.3.1 空氣壓縮機(jī)75
• 4.3.2 供氣管路75-76
• 4.3.3 測(cè)試儀器儀表76-80
• 4.3.4 數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)80-86
• 本章小結(jié)86-88
• 第5章 反循環(huán)鉆頭室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試88-118
• 5.1 試驗(yàn)臺(tái)架的安裝調(diào)試及試驗(yàn)測(cè)試方案88-91
• 5.1.1 試驗(yàn)臺(tái)架的安裝調(diào)試88-89
• 5.1.2 試驗(yàn)測(cè)試方案的確定89-90
• 5.1.3 試驗(yàn)用反循環(huán)鉆頭體90-91
• 5.2 環(huán)狀噴射式反循環(huán)鉆頭室內(nèi)試驗(yàn)91-107
• 5.2.1 環(huán)狀噴嘴間隙對(duì)反循環(huán)形成的影響規(guī)律92-101
• 5.2.2 環(huán)狀噴嘴高度對(duì)反循環(huán)形成的影響規(guī)律101-103
• 5.2.3 噴射角度對(duì)反循環(huán)形成的影響規(guī)律103-105
• 5.2.4 有底噴孔時(shí)環(huán)狀噴射式反循環(huán)鉆頭的試驗(yàn)測(cè)試105-107
• 5.3 內(nèi)噴孔引射式反循環(huán)鉆頭室內(nèi)試驗(yàn)107-110
• 5.3.1 無(wú)底噴孔時(shí)內(nèi)噴孔引射式反循環(huán)鉆頭試驗(yàn)測(cè)試107-109
• 5.3.2 有底噴孔時(shí)內(nèi)噴孔引射式反循環(huán)鉆頭試驗(yàn)測(cè)試109-110
• 5.4 內(nèi)噴孔式和環(huán)狀噴射式結(jié)構(gòu)反循環(huán)鉆頭試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析110-114
• 5.4.1 無(wú)底噴孔時(shí)的對(duì)比分析結(jié)果111-113
• 5.4.2 有底噴孔時(shí)的對(duì)比分析結(jié)果113-114
• 5.5 模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比114-117
• 5.5.1 孔底壓力結(jié)果對(duì)比114-116
• 5.5.2 抽吸流量結(jié)果對(duì)比116-117
• 本章小結(jié)117-118
• 第6章 結(jié)論與展望118-122
• 6.1 論文的主要結(jié)論118-119
• 6.2 論文的創(chuàng)新點(diǎn)119-120
• 6.3 展望120-122
• 參考文獻(xiàn)122-128
• 作者簡(jiǎn)介及攻博期間所取得的科研成果128-130
• 致謝130

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1028284