煤礦硬巖鉆進(jìn)高壓水錘仿真研究

朱利民

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市九龍坡區(qū)， 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶市九龍坡區(qū)，400039)

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★ 煤炭科技·機(jī)電與信息化★

煤礦硬巖鉆進(jìn)高壓水錘仿真研究

朱利民1，2

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市九龍坡區(qū)， 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶市九龍坡區(qū)，400039)

介紹了高壓水錘沖擊機(jī)構(gòu)的工作原理，對高壓水錘沖擊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運動學(xué)仿真，得出了沖擊活塞及配流閥相互作用的運動過程，對高壓水錘內(nèi)部腔體的高壓水流動特性進(jìn)行了流體仿真，得出了高壓水錘內(nèi)部腔體高壓水流場分布情況，研究結(jié)果為高壓水錘沖擊機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和沖擊特性研究提供了重要的理論依據(jù)。

高壓水錘 沖擊機(jī)構(gòu) 仿真分析 硬巖鉆進(jìn)

目前，國內(nèi)對水壓傳動技術(shù)和水壓鑿巖機(jī)的研究已有初步進(jìn)展，但對煤礦井下硬巖高壓水錘的設(shè)計研究和仿真研究還未見展開。

高壓水錘可實現(xiàn)沖擊+回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，能夠有效鉆進(jìn)超硬巖層和復(fù)雜地層，與傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝相比，具有鉆進(jìn)效率高、不產(chǎn)生粉塵污染以及鉆孔直線度高等優(yōu)點。由于采用高壓水驅(qū)動，動力介質(zhì)與沖洗介質(zhì)均為水，不僅可以避免煤礦巷道內(nèi)粉塵污染，而且可以有效解決煤礦井下傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)或氣動沖擊-回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝產(chǎn)生的粉塵污染問題，顯著改善煤礦巷道內(nèi)的工作環(huán)境，減少鉆孔事故，是當(dāng)前一種現(xiàn)實可行的高效優(yōu)質(zhì)的鉆進(jìn)工藝技術(shù)。

1 高壓水錘沖擊機(jī)構(gòu)工作原理

高壓水錘總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了分析方便，將其流道簡化為液壓管線路的方式，以活塞撞擊鉆頭尾端的時刻為起始點，將活塞分加速回程、回程制動和加速沖程3種運動狀態(tài)。高壓水錘沖擊機(jī)構(gòu)工作原理如圖2所示。

1-沖擊鉆頭；2-花鍵套；3-卡瓦；4-下支撐環(huán)；5-中間支撐環(huán)；6-沖擊活塞；7-高壓水錘殼體；8-配流閥塊；9-內(nèi)支撐；10-閥套；11-閥芯；12-過濾器；13-上接頭圖1 高壓水錘總體結(jié)構(gòu)

1-沖擊活塞；2-配流閥塊；3-閥套；4-閥芯；5-高壓水錘殼體圖2 高壓水錘沖擊機(jī)構(gòu)工作原理

(1)加速回程工作狀態(tài)。高壓水由鉆桿到達(dá)常壓腔前腔B，此時，配流閥在高壓水作用于左端F1處而處于右位?；钊笄籄通過配流閥閥口F3接通低壓回水，此時，活塞為加速回程運動狀態(tài)。

(2)回程制動工作狀態(tài)。當(dāng)活塞前臺肩越過信號孔k1時，高壓水經(jīng)k1進(jìn)入到閥芯右端面F2，因作用面積F2>F1，閥芯處于左位。高壓水經(jīng)閥口F1和閥口F3到達(dá)高壓腔A，由于作用面積A>B，活塞進(jìn)入回程制動運動狀態(tài)，直到停止。

(3)加速沖程運動狀態(tài)?；钊?jīng)回程制動階段停止后，開始向左做沖程加速運動，當(dāng)信號孔k2和k3同時打開時，配流閥右端F2經(jīng)k2和k3接通低壓回水，高壓水作用于閥芯左端面F1，閥芯迅速換到右位，沖程階段結(jié)束。此時，活塞正好撞擊鉆頭，輸出鑿巖能量，而沖擊機(jī)構(gòu)再次處于起始點狀態(tài)，活塞進(jìn)入到下一次循環(huán)的回程動作。

2 高壓水錘沖擊機(jī)構(gòu)運動學(xué)仿真分析

2.1 高壓水錘沖擊機(jī)構(gòu)建模

為了研究方便，對次要因素做如下假設(shè)：一是水的粘度不隨壓力的改變而改變；二是高壓水錘在工作的過程中水溫度基本保持不變。本文利用AMESim中的HCD庫對高壓水錘進(jìn)行了建模，高壓水錘沖擊機(jī)構(gòu)AMESim仿真模型如圖3所示，仿真模型各個元件將根據(jù)實際情況的元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，沖擊機(jī)構(gòu)主要仿真參數(shù)設(shè)計見表1。

1-電機(jī)；2-水泵；3-進(jìn)水管；4-缸體；5-配流閥；6-溢流閥圖3 高壓水錘沖擊機(jī)構(gòu)AMESim仿真模型

名稱數(shù)值名稱數(shù)值活塞質(zhì)量7.8kg后腔內(nèi)徑36mm活塞外徑50mm中間腔內(nèi)徑47mm配流閥閥芯閥套間隙0.035mm前腔內(nèi)徑45.1mm活塞與配流閥塊間隙0.05mm配流閥限制行程11mm高壓腔與中間腔密封長度40mm配流閥閥芯外徑32mm低壓腔與中間腔密封長度40mm泄露模塊間隙0.04mm

2.2 運動仿真結(jié)果分析

設(shè)置水流量為280 L/min，時間為0.1 s，步長為0.002 s，得到的活塞位移-時間曲線、活塞速度-時間曲線、閥芯位移-時間曲和閥芯速度-時間曲線分別如圖4、圖5、圖6和圖7所示?；钊饕獏?shù)理論計算結(jié)果與仿真結(jié)果對比見表2。

圖4 活塞位移-時間曲線

圖5 活塞速度-時間曲線

圖6 閥芯位移-時間曲線

圖7 閥芯速度-時間曲線

沖擊速/m·s-1沖擊頻率/Hz沖擊能量/J行程/mm理論值845.525036仿真值7.9345.45245.335.9

將沖擊活塞位移曲線和配流閥閥芯位移曲線進(jìn)行比對，活塞與配流閥閥芯曲線對比關(guān)系如圖8所示。

從圖8中可以清楚地看出，沖擊活塞和配流閥閥芯在一個周期內(nèi)所經(jīng)歷的各個運動階段，每個階段沖擊活塞與配流閥之間的切換及其對應(yīng)關(guān)系在圖中均能找到所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換點，配流閥閥芯的左右位的切換決定了活塞所處的運動階段，其變化規(guī)律符合高壓高壓水錘的鑿巖機(jī)理。

圖8 活塞與配流閥閥芯曲線對比關(guān)系

3 沖擊機(jī)構(gòu)流場仿真分析

3.1 建立CFD模型

高壓水通過配流塊內(nèi)部的流道進(jìn)入活塞各腔，配流塊連接前腔、中腔、后腔的流道以及配流塊內(nèi)壁和活塞外壁一起構(gòu)成整個流場，高壓水錘的工作泵壓為15 MPa，沖程所需最大流量為278 L/min，回程所需最大流量為121 L/min，前腔、中腔進(jìn)出口橫截面積為S1=S2=π×0.0052×4 m2,后腔進(jìn)出口橫截面積為S3=π×0.0052×8 m2，可得沖程時前腔、后腔進(jìn)出口最大流速為4.9 m/s，回程時前腔進(jìn)口最大流速為6.4 m/s。建立的計算域幾何模型如圖9所示。

1-配流塊內(nèi)壁；2-沖擊活塞外壁；3-前腔進(jìn)口；4-中腔回水口；5-后腔進(jìn)出口圖9 計算域幾何模型

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真過程分3個運動階段進(jìn)行，按表3設(shè)置邊界條件，出口壓力設(shè)為0.2 MPa，進(jìn)口速度都為4 m/s，通過瞬態(tài)仿真計算，得出各階段的流場狀態(tài)，回程靜壓云圖、回程粒子跡線圖、回程各腔速度分布圖、沖程靜壓云圖和沖程粒子跡線圖、沖程各腔速度分布圖分別如圖10、圖11、圖12、圖13、圖14和圖15所示。

圖10 回程靜壓云圖

圖11 回程粒子跡線圖

圖12 回程各腔速度分布圖

圖13 沖程靜壓云圖

圖14 沖程粒子跡線圖

圖15 沖程各腔速度分布圖

4 結(jié)論

本文建立了高壓水錘沖擊機(jī)構(gòu)運動仿真模型，通過運動學(xué)仿真，得出了沖擊活塞及配流閥閥芯位移、速度特性曲線，理論值與仿真值接近，驗證了仿真模型的正確性；得出了沖擊活塞與配流閥閥芯在加速回程、回程制動、加速沖程等各個運動階段中相互作用的運動規(guī)律，每個運動階段的轉(zhuǎn)換都能找到對應(yīng)的轉(zhuǎn)換點，其變化規(guī)律符合高壓高壓水錘的鑿巖機(jī)理；建立了沖擊機(jī)構(gòu)的CFD流體仿真模型，得出了各腔體的壓力分布、速度分布圖，得出各出口和各腔的平均速度，為高壓水錘沖擊特性研究提供了重要依據(jù)。

根據(jù)本文研究結(jié)果優(yōu)化制造的高壓水錘已經(jīng)應(yīng)用于河南的鄭煤集團(tuán)告成煤礦和安徽國投新集集團(tuán)新集二礦，安裝于煤礦坑道鉆機(jī)上進(jìn)行巖層穿孔作業(yè)，鉆孔速度達(dá)到1.2 m/min，較之前孔底馬達(dá)穿巖層鉆進(jìn)效率提高400%以上，極大地提高了硬巖鉆孔效率，應(yīng)用前景廣闊。

[1] 李彥明.沖擊-回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝在超硬巖層中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2011(3)

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(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

Simulation research on high-pressure water hammer for mine hard rock drilling

Zhu Limin1，2

(1. ChinaCoal Technology Engineering Group Chongqing Research institute, Jiulongpo, Chongqing 400039, China2. State Key Laboratory of the Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Jiulongpo, Chongqing 400039, China)

The author introduced the operating principle of impact mechanism of high-pressure water hammer, carried out kinematics simulation on the impact mechanism, achieved the motor process of interaction of impact piston and flat valve; conducted fluid simulation on high-pressure water flow characteristics in internal cavity of the water hammer, and obtained the high-pressure water flow field distribution. The results provided an important theoretical basis for the parameter optimization design and impact characteristics research of impact mechanism of high-pressure water hammer.

high-pressure water hammer, impact mechanism, simulation analysis, hard rock drilling

中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司青年創(chuàng)新基金(2013QNJJ17)

朱利民. 煤礦硬巖鉆進(jìn)高壓水錘仿真研究[J].中國煤炭，2017，43(7)：94-97. Zhu Limin. Simulation research on high-pressure water hammer for mine hard rock drilling[J].China Coal，2017，43(7)：94-97.

TD41

A

朱利民(1983-)，男，山東臨沂人，助理研究員，碩士，主要從事煤機(jī)及相關(guān)工程機(jī)械領(lǐng)域的研究工作。