煤層自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)中較為常見(jiàn)也是危害最大的一種現(xiàn)象，嚴(yán)重制約著煤礦的安全高效生產(chǎn)。鉆瓦斯抽放孔進(jìn)行預(yù)抽采是避免煤與瓦斯突出最為有效的方法之一。在西南地區(qū)，大部分煤層都是具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的松軟低透氣性煤層。由于煤層松軟，因此在鉆順層孔時(shí)極易垮孔，嚴(yán)重影響瓦斯抽采效率。目前遇到瓦斯抽放孔失效的情況，尚無(wú)有效解決方法，一般采用重新鉆孔的方式，在經(jīng)濟(jì)上產(chǎn)生極大的浪費(fèi)。自進(jìn)式水射流鉆頭具有“欺軟怕硬”的特性，在已形成的孔中可以自動(dòng)改變方向

2、沿原孔鉆進(jìn)，能夠有效地將已失效的瓦斯抽放孔修復(fù)。
　　本論文依托國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體基金項(xiàng)目“高壓水射流破巖理論及其在地下工程中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究（50621403）”，通過(guò)對(duì)水射流破煤機(jī)理的研究，結(jié)合流體力學(xué)、牛頓定律等理論分析，初步設(shè)計(jì)了一種可以用于煤層清孔的自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭；運(yùn)用CFD方法對(duì)鉆頭的噴嘴布置進(jìn)行了優(yōu)化，選出了最優(yōu)的噴嘴布置方式；針對(duì)優(yōu)化后的自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭進(jìn)行了一系列的破煤實(shí)驗(yàn)，獲得了泵壓、煤樣強(qiáng)度和煤樣粒徑對(duì)自進(jìn)

3、式旋轉(zhuǎn)鉆頭鉆孔速度和成孔直徑的影響規(guī)律。
　　本文的主要研究成果如下：
　?、僮赃M(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭的破煤效率與其噴嘴布置方式相關(guān)，本文通過(guò)分析系統(tǒng)的動(dòng)力和阻力，得出了自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭在煤層中鉆孔的運(yùn)動(dòng)方程，同時(shí)得到反向噴嘴與正向噴嘴的最佳當(dāng)量直徑比為1.32。
　?、谧孕醒兄屏藙?dòng)、靜環(huán)式旋轉(zhuǎn)密封裝置，經(jīng)測(cè)試該密封裝置在25MPa下無(wú)泄漏，同時(shí)該裝置配合阻力環(huán)構(gòu)成了自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)鉆頭的限速系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明該限速系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。
　

4、　③利用SolidWorks軟件建立鉆頭模型，并用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，得到了不同噴嘴布置方式在不同靶距下的壓力、速度分布，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合實(shí)驗(yàn)情況選出了最優(yōu)布置方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明由1個(gè)直徑1mm的中心噴嘴，兩個(gè)偏角15°，直徑1mm的中環(huán)噴嘴以及兩個(gè)偏角15°，張角20°，直徑1.4mm的外環(huán)噴嘴組成的正向噴嘴與由3個(gè)張角12°，直徑2mm的噴嘴組成的反向噴嘴相配合，具有最高的破煤效率。
　?、芡ㄟ^(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)