高壓磨料射流煤巖鉆割設(shè)備研制及切割性能研究

1、PAGE PAGE 9高壓磨料射流煤巖鉆割設(shè)備研制及切割性能研究陸海龍；王力；吳海進(jìn)；張連軍（中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院 ，江蘇 徐州 221008）摘 要：高壓磨料射流切割技術(shù)是近30年發(fā)展起來的新技術(shù)，新工藝。高壓磨料射流煤巖鉆割設(shè)備綜合高壓磨料射流切割技術(shù)和鉆機(jī)鉆孔施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤巖打鉆，切割一體化完成。本文詳細(xì)說明了該設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成及工作原理；理論推導(dǎo)了高壓磨料射流破煤巖機(jī)理；通過試驗(yàn)，總結(jié)分析了噴射壓力、橫移速度、試樣堅(jiān)固系數(shù)對該設(shè)備切割性能的影響；簡單介紹了該設(shè)備的目前應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞：高壓磨料射流煤巖鉆割設(shè)備;鉆割一體化;高壓磨料射流破煤巖機(jī)理;切割性能;試驗(yàn)研究中圖分類號：TD4

2、3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A磨料水射流是20 世紀(jì)80 年代發(fā)展起來的新型切割加工技術(shù)，該技術(shù)最早于1983 年在美國取得專利權(quán)，到目前有20多年的歷史，高壓磨料射流切割技術(shù)于上世紀(jì)九十年代由國外傳入我國，它是以高壓水為介質(zhì)，通過磨料發(fā)生裝置使磨料獲得能量，磨料與水的混合漿體從噴嘴噴射出來，形成能量高度集中的一股，磨料粒子本身有一定的質(zhì)量和硬度，因此磨料水射流具有良好的磨削、穿透、沖蝕的能力。因?yàn)樵摷夹g(shù)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)也較為簡單，因此得到了較快的發(fā)展和應(yīng)用。目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于石油業(yè)、飛機(jī)制造業(yè)、汽車制造業(yè)、建筑工程等行業(yè)領(lǐng)域1。高壓磨料射流煤巖鉆割設(shè)備以高壓磨料切割技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合鉆機(jī)鉆進(jìn)技

3、術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤巖鉆孔、切割一體化?；鹳Y助：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50534090，50574093）國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2005CB221506）.鉆割設(shè)備結(jié)構(gòu)組成及工作原理1.1設(shè)備結(jié)構(gòu)組成高壓磨料射流煤巖鉆割設(shè)備是一種在打鉆完成后，利用鉆機(jī)作為切割進(jìn)給動力源直接進(jìn)行割縫的新型鉆孔、切割一體化設(shè)備。如下圖1所示，該設(shè)備組成包括高壓泵站；磨料發(fā)生裝置；鉆機(jī)、高強(qiáng)度鉆桿、鉆割一體實(shí)現(xiàn)裝置。圖1設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the equipment1-水箱 2-過濾器3-高壓泵 4-溢流閥 5-單向閥 6-壓力表 7-截止閥 8-過濾篩網(wǎng) 9-高壓磨料罐 10-混

4、合腔 11-磨料濃度調(diào)節(jié)閥 12-鉆機(jī) 13-支架本設(shè)備從高壓泵站出來的高壓水分成三路，分別為：第一路高壓水到達(dá)磨料發(fā)生器的頂部，迫使磨料往下運(yùn)動；第二路高壓水經(jīng)過單向閥到達(dá)磨料發(fā)生器底部的混合腔，依靠水的流動將磨料罐中流下來的磨料攜帶走；第三路高壓水稱為旁通水路，高壓泵出來的高壓水經(jīng)過旁通水路直接送到磨料罐的下游，引射出混合腔里磨料漿，第二、三路的流體混合均勻后，經(jīng)鉆桿進(jìn)入前端鉆頭處的噴嘴。從噴嘴射流處的高壓磨料混合漿體進(jìn)行切割作業(yè)。 1.2設(shè)備工作過程本設(shè)備作業(yè)流程如下：在鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，由鉆機(jī)配合鉆桿內(nèi)送入的風(fēng)或者低壓水進(jìn)行排粉，與鉆機(jī)共同完成鉆進(jìn)作業(yè)。鉆進(jìn)結(jié)束后，鉆機(jī)停止轉(zhuǎn)動，只進(jìn)行退

5、鉆作業(yè)，高壓泵站加壓，水壓達(dá)到預(yù)定壓力值后，清水與高壓磨料發(fā)生裝置產(chǎn)生的磨料粒子相混合，與此同時(shí)鉆頭壓控裝置完成射流直向鉆孔到側(cè)向割縫的切換，進(jìn)行切割作業(yè)。通過閥門控制高壓磨料射流水的開、關(guān)，達(dá)到隨時(shí)鉆進(jìn)隨時(shí)割縫的要求，從而實(shí)現(xiàn)鉆割一體化。圖2 設(shè)備安裝示意圖Fig.2 The installation of the equipment 2.鉆割設(shè)備切割性能研究2.1高壓磨料射流破煤巖機(jī)理分析磨料水射流是以水為介質(zhì),經(jīng)過增壓器或高壓泵站增壓，使水射流的壓力達(dá)到一定高的壓力，然后混入磨料，經(jīng)磨料噴嘴噴射出固液兩相射流，即高壓磨料射流。該磨料射流具有一定的動能，可對被切割的煤巖產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊動能，

6、混入高速水射流中的磨料其動能為： (1)式中：為磨料供給量； 為磨料的流速；為流量系數(shù)；而在磨料加入水射流之前水射流的速度為： (2)當(dāng)磨料混入后,若水射流和磨料為同一速度，混入磨料后其速度可用下式表達(dá)： (3)將式(2) ，(3) 代入式(1)，得到磨料所具有的動能為： (4)式(2) 中為水的密度，在噴射壓力和噴射流量Q 確定以后，磨料的動能僅是的函數(shù)，即能量隨磨料的供給量增加而加大，當(dāng)時(shí)磨料的動能達(dá)到最大值，磨料在水射流中有橫向運(yùn)動及相互碰撞。因此，其混入磨料的供給量與磨料的粒度和密度成反比，而與水的速度成正比，即： (5)式中K0為系數(shù)，為磨料的密度，d是與磨料形狀有關(guān)的系數(shù)，為速度指

7、數(shù)，混凝土材料的體積能Ec為： (6)式中為材料單位體積能，為切除體積,A為常數(shù)，y為材料的負(fù)荷強(qiáng)度； E為材料的彈性模量，hc為磨料水橫向移動速度，d0為磨料水噴嘴直徑。當(dāng)磨料的能量Ea 大于煤巖體積能Ec 時(shí)，材料才能被切除即： (7)將式(5) 代入(6) ,經(jīng)整理得到其切割深度為： (8)分析式(8) 切割深度與磨料射流作業(yè)工藝參數(shù)(即水射流壓力水流量)，磨料參數(shù)(粒度、濃度) 混合參數(shù)，噴嘴直徑，切割控制參數(shù)(靶距,噴嘴橫移速度) 以及被切割材料力學(xué)性能等的因素有一定的影響關(guān)系2。2.2鉆割設(shè)備切割性能實(shí)驗(yàn)研究分析本文采用單因素法，即在考察某一因素的影響規(guī)律時(shí)，其他參數(shù)保持不變。高壓

8、磨料射流的破煤巖切割效果一般包括切割深度、切割寬度。對于高壓磨料射流切割，噴嘴直徑很小切割寬度變化不大。因此本實(shí)驗(yàn)選取切割深度作為反映射流切割效果的重要指標(biāo)3。本實(shí)驗(yàn)以20目的石榴石作為磨料，采用水泥及添加適量的外加劑作為設(shè)備切割材料試樣，下表1所示為試樣基本參數(shù)，試樣在實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)凝固3個月。在進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)時(shí),噴嘴軸線與試件表面垂直構(gòu)成90直角,噴嘴與試樣保持1cm的距離（設(shè)備在切割作業(yè)時(shí)，噴嘴在鉆孔內(nèi)部，因?yàn)殂@孔大小恒定，故靶距不變，因此本文不研究靶距對該設(shè)備切割性能的影響），切割深度經(jīng)多次測量取其均值。表1 試樣參數(shù)表Table 1 The parameters of the Sample

9、試件硬度系數(shù)體積（mm3）A1.568B3.693C5.1652.2.1噴射壓力對設(shè)備切割能力的影響在相同的橫移速度1m/min，其他切割參數(shù)不變的切割條件下，只單一改變壓力分別對A、B、C試塊進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，得到圖3的切割實(shí)驗(yàn)曲線。圖3 切割深度與磨料射流噴射壓力的關(guān)系Fig.3 The injection pressure change of the cutting depth隨著噴射壓力的增加，切割深度也增大，其切割深度主要與射流所攜帶的能量及切割材料受到的打擊力等因素有關(guān)，切割深度與水射流噴射壓力存在明顯的線性關(guān)系，壓力增大，切割深度增大。如果將上圖中的直線延長與X軸必然存在一個交點(diǎn)，即

10、：切割深度為0的位置。顯而易見，當(dāng)噴射壓力小于這個臨界壓力時(shí)，切割深度始終為0。因此，水射流沖擊物料時(shí)，存在著一個使物料產(chǎn)生破壞的最小噴射壓力，當(dāng)水射流噴射壓力小于這個壓力時(shí)，物理只能產(chǎn)生塑性變形而幾乎不被破壞。當(dāng)噴射壓力超過這個壓力時(shí)，物料將產(chǎn)生躍進(jìn)式破壞34。因此，通過提高設(shè)備的磨料射流噴射壓力，可以提高該設(shè)備的切割能力，但是磨料射流系統(tǒng)的壓力不能無限制的增加，受切割設(shè)備技術(shù)性能等客觀條件的制約，依靠壓力的增加提高切割能力受到定的限制。2.2.2橫移速度對設(shè)備切割能力的影響在相同的噴射壓力30MPa，其他切割參數(shù)不變的切割條件下，只單一改變橫移速度分別對A、B、C試塊進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，得到圖4

11、的切割實(shí)驗(yàn)曲線。圖4 切割深度與橫移速度的關(guān)系Fig.4 The moving speed change of the cutting depth噴嘴橫移速度是諸因素中惟一與切割時(shí)間有關(guān)的一個因素，其實(shí)質(zhì)反映了水射流對物料的沖擊時(shí)間。從上圖可以看出：橫移速度越小，切割深度越大，隨著橫移速度的加大，開始時(shí)切割深度有明顯的下降，但橫移速度進(jìn)一步增加時(shí)，切割深度減小并不明顯，即：切割深度的增長率隨水射流的沖擊時(shí)間的增長而逐漸減小。最終穩(wěn)定在某一個切割深度上，也就是說在較高的橫移速度下仍保持一定的切割深度不斷增加5。從另一個衡量切割效果的標(biāo)準(zhǔn)切割面積來分析切割的橫移速度。將射流單位時(shí)間內(nèi)切割深度與橫移

12、速度的乘積定義為單位時(shí)間切割面積，即： (9)式中： 單位時(shí)間切割面積 橫移速度 切割深度因此，可得切割面積與橫移速度關(guān)系圖，如下圖5所示。圖5 橫移速度與切割面積的關(guān)系Fig.5 The cutting area change of the moving speed由圖4和5可知，較高的橫移速度，雖然切割深度較小，但單位時(shí)間射流的切割面積卻大大增加。因此，選擇合適的切割橫移速度是一種提高切割效率的有效措施。2.2.3材料硬度對設(shè)備切割能力的影響試件的堅(jiān)固系數(shù)對設(shè)備的切割能力有著一定的影響, A 、B 、C三種試件,在一定的切割條件下（噴射壓力30MPa，橫移速度100cm/min），獲得的切

13、割深度不同，我們在切割實(shí)驗(yàn)中，獲得如圖6所示的實(shí)驗(yàn)曲線，切割深度隨著試件堅(jiān)固系數(shù)的增加而降低，這是因?yàn)殡S著試件堅(jiān)固系數(shù)的增大，其抗沖蝕動能的能力有所增加，因此磨料射流沖蝕的切割深度也將有所減小，所以物料的堅(jiān)固系數(shù)是選擇切割最佳壓力的先決條件。圖6 堅(jiān)固系數(shù)與切割深度的關(guān)系Fig.6 The cutting depth change of the rigidity of the sample試樣的堅(jiān)固系數(shù)大，選擇的切割壓力也應(yīng)增加，橫移速度應(yīng)該減小，才能提高設(shè)備的切割能力。3.鉆割設(shè)備應(yīng)用目前，該設(shè)備主要應(yīng)用于煤礦瓦斯突出治理，一般情況下，具有突出危險(xiǎn)的煤層內(nèi)部空隙和裂隙都很小。為了增大煤體的透

14、氣性系數(shù)，就要人為地采取措施在煤層中造成空隙，溝通及擴(kuò)展煤層內(nèi)部的裂隙網(wǎng)。對于單一煤層而言，則只有在煤層內(nèi)部本身采取措施，張開原有煤層裂隙，造成新裂隙及局部卸壓條件，才能改善煤層內(nèi)部瓦斯流動狀況。運(yùn)用該設(shè)備在煤層中先打一個鉆孔，然后在鉆孔內(nèi)利用高壓水射流對鉆孔二側(cè)的煤體進(jìn)行切割，在鉆孔二側(cè)形成一條具有一定深度的扁平縫槽。采用本設(shè)備鉆孔，磨料射流割縫措施后，首先增加了煤體暴露面積，且扁平縫槽相當(dāng)于局部范圍內(nèi)開采了一層極薄的保護(hù)層，達(dá)到層內(nèi)自我解放，給煤層內(nèi)部卸壓、瓦斯釋放和流動創(chuàng)造了良好的條件，其結(jié)果是造成了縫槽上下煤體的一定范圍的較充分卸壓，增大了煤層的透氣性能；其次，割縫在煤體中形成的縫槽或

15、空間在地壓的作用下，使縫槽周圍的煤體向縫槽空間移動，因而更擴(kuò)大了縫槽卸壓、排瓦斯范圍。由于磨料射流割縫的切割、沖擊作用，鉆孔周圍一部分煤體被高壓水擊落沖走，形成扁平縫槽空間，這一縫槽可以使周圍煤體發(fā)生激烈的位移和膨脹，增加了煤體中的裂隙，大大改善了煤層中的瓦斯流動狀態(tài)，為瓦斯排放提供了有利條件，改變了煤體的原始應(yīng)力和裂隙狀況，煤體和圍巖中的應(yīng)力緊張狀態(tài)得到一定程度緩和，達(dá)到突出潛能的大量釋放，使煤巖變硬。這樣，既削弱或消除了突出的動力，又大大改變了突出煤層的物理機(jī)械性能。因此可以增大透氣性和提高煤層抽放瓦斯的能力，起到防止煤與瓦斯突出的有效作用。 4.結(jié)論（1）高壓磨料射流煤巖鉆割設(shè)備將高壓磨

16、料射流技術(shù)和鉆機(jī)鉆孔施工技術(shù)相結(jié)合，以巖體力學(xué)、流體力學(xué)、多相流理論、機(jī)械設(shè)計(jì)、密封技術(shù)等學(xué)科理論為基礎(chǔ)。（2）通過對高壓磨料射流破煤巖機(jī)理的理論分析，可以看出設(shè)備的切割性能與磨料射流作業(yè)工藝參數(shù)(即水射流壓力水流量)，磨料參數(shù)(粒度、濃度) 混合參數(shù)，噴嘴直徑，切割控制參數(shù)(靶距,噴嘴橫移速度) 以及被切割材料力學(xué)性能等的因素有一定的影響關(guān)系。（3）通過試驗(yàn)分析，可以得出以下結(jié)論： = 1 * GB3 切割深度與水射流噴射壓力存在明顯的線性關(guān)系，壓力增大，切割深度增大。水射流切割煤巖存在一個臨界壓力。當(dāng)壓力小于這個臨界壓力時(shí)物料只產(chǎn)生塑性變形，而沒有切割深度。在保障設(shè)備運(yùn)行以及人員操作安全的

17、前提下，應(yīng)該盡可能增大射流噴射的壓力； = 2 * GB3 在一定的范圍內(nèi)，切割橫移速度越小，切割深度越大。但橫移速度進(jìn)一步增加時(shí)，切割深度減小量并不明顯，最終穩(wěn)定在某一個切割深度上。提高切割橫移速度，單位時(shí)間內(nèi)可以增大切割面積； = 3 * GB3 物料堅(jiān)固系數(shù)對切割深度也有著重要的影響，試樣的堅(jiān)固系數(shù)大，應(yīng)提高設(shè)備的切割壓力，降低設(shè)備切割橫移速度，才能提高設(shè)備的切割能力。（4）目前該設(shè)備主要應(yīng)用于煤礦瓦斯突出災(zāi)害防治，鑒于高壓磨料射流的特點(diǎn)及切割性能，以及設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該設(shè)備還可應(yīng)用于煤礦煤巖巷道掘進(jìn)，石門揭煤，公路鐵路隧道掘進(jìn)，石材切割等領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)：1劉麗萍、王祝煒，高壓水射流切割

18、技術(shù)及應(yīng)用(J)，農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2000年第31卷第5期2趙永贊、趙民，磨料射流切割混凝土的機(jī)理及試驗(yàn)研究(J)，混凝土，2003年12期3陸海龍，煤層鉆割一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)水射流切割性能研究(D)，徐州，中國礦業(yè)大學(xué)，20074孫家駿，水射流切割技術(shù)(M)，徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社19925崔謨慎、孫家駿，高壓水射流技術(shù)(M)，北京：煤炭工業(yè)出版1993Development of High-pressure Abrasive Water Jet Coal & Rock Drilling-cutting Equipment and Research on the Cutting Performa

19、nceLu Hailong; Wang Li; Wu Haijin; Zhang Lianjun (School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008, China)Abstract: High-pressure abrasive water jet cutting technology is a new developmental technology and technics in the last 30 years. High-pressure Abrasive Water Jet Coal & Rock Drilling-cutting Equipment combined high-pressure abrasive jet technology and drilling technology, achieved coal & rock drilling, cutting integration completed. This paper detailedly illuminated the str