磨料射流定向切顶装置的设计与研制

摘要

N00工法是一种节约资源并能降低开采成本的长壁采煤工法，快速无伤定向切割顶板岩石使采空区顶板垮落是该工法的关键。当前使用爆破的方法对顶板岩石损伤大及井下对炸药使用的管制，限制了N00工法的高效实施。本文基于水射流理论与技术，提出了利用磨料射流定向切割顶板的新思路，围绕快速、低损伤、定向切缝等难题，研究了磨料射流定向切顶系统的结构组成与工作原理，设计了系统关键部件，并在实验优选出最优工作参数基础上开展了现场切顶试验。取得主要研究成果如下：　　①针对砂岩试件系统开展了纯水射流、磨料射流、钻孔压裂、钻孔割缝导向压裂等不同方式造缝实验，以对比各种造缝方式的造缝效果，最终确定了磨料射流切缝作为定向切顶的技术方案。　　②研究了磨料射流定向切顶系统的结构组成及工作原理，设计了水射流喷嘴、切割喷头、定向器、输送机、磨料供给系统等关键部件的结构与尺寸。应用FLUENT软件仿真了不同结构喷嘴的射流流束形态与速度，优选了锥直型结构喷嘴，并设计出流线型双射流切割喷头。为实现定向切缝，分别设计出扶正器与旋转快接连杆，即定向器。设计了高压胶管输送机，可调节左右位移、水平偏转、前后摇摆以适应顶板切缝孔的数量和位置变动，同时可实现高压胶管的有效排列，速度快慢可控的收放功能。设计了大容量磨料供给系统，加料一次可实现工作面一个步距的四个孔切缝。　　③实验优化了磨料射流定向切顶的最优工作参数。对取自煤矿现场顶板岩石试样进行了切缝实验，确定了满足N00工法要求的磨料射流定向切顶的最优工作参数：射流压力25MPa、喷嘴直径1.5mm（8个）、磨料类型黄沙/石英砂、磨料浓度3.5%、切割速度4.4mm/s。　　④于陕西某矿S1201-Ⅱ工作面进行了现场切顶试验。结果表明，采用最优工作参数，系统可在1个循环时间（50min）、1个步距（840mm）范围内对7000-8000mm长度的4孔同步定向切缝，实现对留巷顶板的快速高效定向切割　　该系统装置的研发与应用，对N00等安全、高效、节约型采煤工法的推广具有深远意义。该系统还有望与顶板钻孔系统集成为一套系统，减少两套系统作业时的相互干涉，使整套切顶系统装置更集约、简洁和高效。

目录

1 绪 论

1.1 问题的提出

1.2 国内外研究现状

1.2.1 沿空留巷切顶技术研究现状

1.2.2 高压水射流切割技术与应用研究现状

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 定向切顶技术方案研究

2.1 功能需求及技术指标要求

2.1.1 N00 工法简介

2.1.2 切顶功能需求

2.1.3 技术指标要求

2.2 切割顶板技术方案优选

2.2.1 纯水射流定向切缝

2.2.2 磨料射流定向切缝

2.2.3 割缝导向压裂定向造缝

1.1.1 定向切顶技术方案优选

1.2 本章小结

3 磨料射流定向切顶装置设计与研制

3.1 系统组成与工作原理

3.1.1 系统组成

3.1.2 工作原理

3.2 喷嘴

3.2.1 淹没水射流束结构特性

3.2.2 淹没射流下喷嘴流场仿真分析与结构优选

3.3 切割喷头

3.4 定向器

3.5 输送机

3.6 磨料供给系统

3.7 本章小结

4 磨料射流定向切顶工艺参数研究

4.1 实验装置与岩石试件介绍

4.2 实验步骤

4.3 实验结果及数据分析

4.4 本章小结

5 陕西某矿S1201-2工作面磨料射流定向切顶试验

5.1 试验点概况

5.2 设备安装调试

5.3 试验方法与步骤

5.4 试验结果及切缝效果分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参加科研项目情况

C. 学位论文数据集

致 谢