偏转水射流煤层钻孔的射流特性研究

【摘要】：瓦斯抽放是治理瓦斯的基本措施，而抽放瓦斯需要在煤层中钻长孔。常规的机械钻孔技术是靠钻杆旋转带动钻头切割煤，钻头与钻孔之间紧密接触，容易出现卡钻、夹钻、钻头磨损快等问题。使用高压水射流技术在煤层中钻孔，由于射流钻头和钻孔是非接触的，从而可以在一定程度上避免卡钻、夹钻、钻头磨损快等问题，且通过高压水射流还能实现对钻孔的扩充，增加钻孔的有效抽放半径。在国内，用高压水射流在煤层中钻孔是一项新技术，重点需要对射流钻头以及射流特性进行研究。 本文在分析国内外高压水射流理论与技术研究现状的基础上，对淹没水射流的自模性、扩散性和速度衰减性做了洋细分析和论述，初步设计了用于煤层钻孔的偏转水射流钻头。对射流喷嘴的运动规律进行理论分析，得出了影响射流喷嘴旋转速度各参数的匹配关系。采用了标准的κ-ε双方程模型对射流速度和压力的变化规律进行了数值模拟。为了进一步研究水射流特性，论文对射流打击力和射流冲击压力实验测试进行了分析说明。同时论文还对高压水射流破煤机理进行了分析和论述。论文主要工作和结论如下： (1) 通过理论分析，得出射流反冲力F=Qv_j。 (2) 运用牛顿动力学定律，理论计算出影响旋转喷嘴转速的各因素取值范围：射流压力p应大于(Mρ)／(50πRC~2d~2sinα)，偏角α取值必需大于arcsin (Mρ)／(50πRC~2d~2p)，旋转半径尺取值应大于(Mρ)／(50πC~2d~2psinα)，喷嘴直径d的取值应大于2~((Mρ)／(50πRC~2psinα))。 (3) 通过对射流特性的数值研究，发现同一喷嘴直径同一初速度下不同断面的速度分布规律相似，都服从正态分布；射流出口轴心初速度大小的改变不会影响射流总压力的分布规律，喷距的改变会影响总压力的分布形状，射流总压力都服从正态分布；同一喷嘴直径不同轴心初速度下射流轴心速度衰减规律具有相似性，