煤矿水力冲孔射流的数值模拟与破煤机理研究

摘要

我国煤矿安全形势较为严峻,煤矿灾害已经成为威胁国家能源安全的重要影响因素,其中,煤与瓦斯突出是煤矿井下最严重的自然灾害之一。为有效预防发生煤与瓦斯突出事故,水力冲孔防突技术是一套行之有效的消突防突措施。然而,对于水力冲孔关键技术装备喷嘴的研究却不够,为此,本论文在理论研究与试验效验的基础上,研制出水力冲孔专用喷头和喷嘴,然后对水力冲孔的射流进行数值模拟,最后对水力冲孔破煤机理进行研究。
　　本论文研究的主要内容包括以下几个方面:
　　1.分析研究喷嘴类型和参数对射流特性的影响,对水力冲孔喷嘴结构和参数进行设计,并对水力冲孔喷头体进行了设计;
　　2.利用FLUENT软件分别对水力冲孔喷头体的内部流场和喷嘴的射流场进行数值模拟,并对水力冲孔的射流打击力、射流靶距和冲孔半径进行模拟计算;
　　3.在义安矿和新安矿进行水力冲孔现场试验,试验计算的冲孔半径高于模拟计算的结果,模拟计算的结果对现场试验具有指导意义。
　　4.对水力冲孔破煤机理进行研究,认为水力冲孔破煤的过程包括裂缝的产生、水楔作用、表面冲刷三种机理。
　　在本论文的研究过程中,采用理论研究、数值模拟和试验验证的方法。分别对喷头体的内部流场和喷嘴的射流场进行数值模拟,并对模拟结果进行分析研究,从而更深层次的揭示水力冲孔破煤的过程。模拟计算了喷嘴的射流打击力、喷嘴的射流靶距和冲孔半径,模拟计算的结果对水力冲孔防突技术的推广和应用都具有一定的指导意义和借鉴作用。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 问题的提出

1.3 煤与瓦斯突出的机理

1.4 煤与瓦斯突出的防治措施

1.5 水力冲孔快速消突防突技术

1.6 论文研究的内容和技术路线

2 水力冲孔喷嘴的设计

2.1 喷嘴及其类型

2.2 喷嘴各参数对水射流性能的影响

2.3 水力冲孔喷嘴各参数的选择与设计计算

2.4 水力冲孔喷嘴结构设计

2.5 水力冲孔喷头体结构设计

2.6 本章小结

3 水力冲孔射流的数值模拟

3.1 流体力学的基本方程

3.2 流体流动的主要分类

3.3 CFD的求解过程

3.4 水力冲孔初始参数确定

3.5 喷头体内部流场区域建模与网格划分

3.6 喷头体内部流场区域数值求解

3.7喷嘴射流场的数值模拟

3.8 水力冲孔射流打击力的模拟计算

3.9 水力冲孔射流靶距的模拟计算

3.10 水力冲孔冲孔半径的模拟计算

3.11 本章小结

4. 水力冲孔防突技术现场试验研究

4.1 义安矿水力冲孔现场试验

4.2 新安矿14211工作面水力冲孔现场试验

4.3 本章小结

5 水力冲孔破煤机理的研究

5.1 高压水射流破岩理论综述

5.2 水力冲孔破煤机理的研究

5.3 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 全文展望

参考文献

作者简历

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