摆振磨料水射流落煤机理与工艺研究.docVIP

摆振磨料水射流落煤机理与工艺研究 摘 要：本文从煤岩的脆性特性出发，结合摆振磨料水射流的动力特性，分析了摆振磨料水射流切落煤岩的机理，并优化了摆振磨料水射流的落煤工艺。 关键词：摆振；水射流；落煤 源于水力采煤的高压水射流技术，承继了水力采煤技术所具有的优点（抑抑粉尘的产生、改善了工作环境），而且耗水量大幅度减少，使后续工序得到了极大的简化。在水射流落煤过程中，如何提高其能量的利用率，一直是人们所追求的目标。摆振水射流就是为了实现高效、低耗的落煤目的而提出的。 经过多年的实践和研究，利用摆振水射流掘进煤巷，已经取得了很多成功的经验，已成功研究出了摆振射流落煤器。在解决高沼气、软煤层的井巷的掘进，防爆降尘、改善掘进工作面的安全、卫生条件等方面，摆振水射流有其独特的优越性[1]。 摆振水射流落煤的机理与以下三个方面的因素有关，即煤岩的特性、射流的特性，以及射流与煤岩的相互作用方式。 煤岩的特性　 1.1煤岩的基本特性 一般认为：煤岩是由许多微晶粒组成的、含有大量裂隙的、各向异性、非均质的脆性软岩[2]。 煤岩的力学特性包括煤岩的强度特性和变形特性。 煤岩的强度特性是指煤岩在外力作用下，抵抗破坏的能力。它主要包括煤岩的单向抗压强度、单向抗拉强度、剪切强度以及三向压力强度等。其中，煤岩的抗拉强度大大小于其抗压强度，大约为1：10，这是脆性煤岩的重要特征之一。许多的试验研究也证明，煤岩的抗压强度与水射流的破岩能力几乎没有关系[3]。 煤岩的变形特性则是指在各种应力状态下的应力与应变的关系。它包括煤岩内部贮存的应变能、煤岩的流变性能以及煤岩所表现出的弹塑性性能。 1.2煤岩的破坏特点 一般说来，煤岩的破坏存在有两种不同的现象，一种是“滑移”，一种是“脆断”，这是由煤岩的脆性特性决定的。它的主要破坏类型有： 1)脆性拉伸破坏：在特定的单向压缩条件下，由于煤岩的变形，将在煤岩中产生拉伸应力，在其主应力面上，当拉伸应力达到临界应力时，煤岩将产生脆性拉伸破坏[4]。 2)剪切破坏：煤岩在承受单向或低侧向压力的三向压缩时，煤岩由于变形将产生滑移现象，从而产生了间接的剪切应力，当剪切应力超过潜在的剪切面上的抗剪强度时，煤岩将被剪切破坏。这就是著名的库伦——纳维尔破坏准则，关系式为： （1） 式中 ——抗剪强度； ——正应力； C——内聚力； ——内摩擦角； ——均为煤岩的固有性质。 3)塑性流动破坏：煤岩在承受高侧向压力的三向压缩时，将会产生变形，当煤岩的应变达到极限应变数值时，煤岩就会发生塑性流动而使煤岩破坏。 破坏的条件是： （2） 式中——煤岩的应变； ——煤岩破坏时的应变。 （3） 式中——泊松比； ——煤岩的主应力。 （4） 式中——煤岩的抗拉强度； 因此煤岩的破坏条件是： （5） 由于煤岩的抗拉强度和抗剪强度远小于煤岩的抗压强度，因此，煤岩的破坏一般都呈拉伸和剪切破坏的特点。 在外力作用下，煤岩中的微晶粒间将产生剪切应力，当剪切应力超过晶粒之间的聚合力时，晶粒间就将产生滑移，剪切裂隙也就产生了，随着剪切裂隙的不断扩大，引起煤岩塑性流动，最终导致煤岩的破坏。 另一方面，煤岩中的微裂隙在外力作用下，将在裂隙的端部产生拉应力集中（由于这个应力集中所产生的拉应力，在某种情况下，能达到所加给应力的100倍），这将导致裂隙以稳定的或失稳的形式扩展，最终引起煤岩的脆性拉断破坏。 裂隙发展的条件是： 当时， （6） 当时， （7） 式中——煤岩的最大、最小主应力 当然，煤岩的破坏是一个复杂的过程，在多数情况下，它是一种综合破坏，既有剪切力的作用，又有拉伸应力的作用。剪切滑裂与拉伸断裂的结合形成拉伸与剪切的综合破坏。对于脆性煤岩，在承受交变应力反复作用时，还会产生应力释放时的破坏。 煤岩的这些特性及破坏特点，对于研究摆振水射流落煤是非常有意义的。如能充分利用这些特性和特点，对摆振水射流落煤来说，可收事半功倍之效。 2　摆振水射流落煤机理 2.1水射流落煤的机理 高压水射流落煤的机理主要有三类，这就是割缝、崩落、楔劈三种形式，如图1所示。 1）割缝：是利用高压水射流在煤壁上进