煤層自進式旋轉(zhuǎn)鉆頭的設(shè)計與實驗研究.pdf

1、煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)中較為常見也是危害最大的一種現(xiàn)象，嚴重制約著煤礦的安全高效生產(chǎn)。鉆瓦斯抽放孔進行預(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的松軟低透氣性煤層。由于煤層松軟，因此在鉆順層孔時極易垮孔，嚴重影響瓦斯抽采效率。目前遇到瓦斯抽放孔失效的情況，尚無有效解決方法，一般采用重新鉆孔的方式，在經(jīng)濟上產(chǎn)生極大的浪費。自進式水射流鉆頭具有“欺軟怕硬”的特性，在已形成的孔中可以自動改變方向

2、沿原孔鉆進，能夠有效地將已失效的瓦斯抽放孔修復(fù)。
　　本論文依托國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體基金項目“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）”，通過對水射流破煤機理的研究，結(jié)合流體力學(xué)、牛頓定律等理論分析，初步設(shè)計了一種可以用于煤層清孔的自進式旋轉(zhuǎn)鉆頭；運用CFD方法對鉆頭的噴嘴布置進行了優(yōu)化，選出了最優(yōu)的噴嘴布置方式；針對優(yōu)化后的自進式旋轉(zhuǎn)鉆頭進行了一系列的破煤實驗，獲得了泵壓、煤樣強度和煤樣粒徑對自進

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：
　　①自進式旋轉(zhuǎn)鉆頭的破煤效率與其噴嘴布置方式相關(guān)，本文通過分析系統(tǒng)的動力和阻力，得出了自進式旋轉(zhuǎn)鉆頭在煤層中鉆孔的運動方程，同時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?、靜環(huán)式旋轉(zhuǎn)密封裝置，經(jīng)測試該密封裝置在25MPa下無泄漏，同時該裝置配合阻力環(huán)構(gòu)成了自進式旋轉(zhuǎn)鉆頭的限速系統(tǒng)，實驗證明該限速系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。
　

4、?、劾肧olidWorks軟件建立鉆頭模型，并用Fluent軟件進行數(shù)值模擬實驗，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)合實驗情況選出了最優(yōu)布置方式，實驗結(jié)果表明由1個直徑1mm的中心噴嘴，兩個偏角15°，直徑1mm的中環(huán)噴嘴以及兩個偏角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^相似模擬實驗