多球齒與非連續射流耦合衝擊破碎堅硬煤岩動力學特性

《多球齒與非連續射流耦合衝擊破碎堅硬煤岩動力學特性》是依託中國礦業大學，由江紅祥擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：多球齒與非連續射流耦合衝擊破碎堅硬煤岩動力學特性
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：江紅祥
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

堅硬煤岩破碎方法和技術不足已經成為深層、複雜地層煤炭資源安全高效開發的瓶頸。本項目以提高機械衝擊破岩能力、效率和降低球齒磨損率為目標，採用理論分析、數值模擬和實驗相結合的方法開展多球齒與非連續射流耦合衝擊破碎堅硬煤岩動力學特性研究。在構建應變率相關堅硬煤岩本構模型基礎上，建立考慮熱傳導的球齒、非連續射流、球齒與非連續射流耦合衝擊破岩數值模型，結合實驗分析不同衝擊載荷作用下煤岩失效形式、裂紋擴展及其分布特徵等，研究非連續射流輔助作用對球齒載荷、溫度、磨損率以及煤岩破碎效率等性能指標的影響規律；在此基礎上，建立多球齒與非連續射流耦合衝擊破岩系統動力學模型，研究破岩系統結構參數、外載荷、衝擊頻率等參數對系統內在動力學行為的影響，探求非連續射流輔助下系統高效衝擊破岩的參數匹配規律，提高機械衝擊破岩機構在堅硬煤岩破碎工作中的可靠性、高效性和使用壽命。

結題摘要

堅硬煤岩破碎方法和技術不足已經成為深層、複雜地層煤炭資源安全高效開發的瓶頸。首先，對球齒、脈衝射流衝擊破碎堅硬煤岩過程進行研究，揭示了球齒、脈衝射流衝擊破岩機理，掌握了相關參數對衝擊破岩效率的影響規律，確定了較優的球齒形式和工作參數、脈衝射流結構與工作參數；然後，在球齒、脈衝射流衝擊破碎堅硬煤岩研究基礎上，提出脈衝射流輔助機械衝擊破岩形式，採用流固耦合方法建立脈衝射流輔助球齒衝擊破岩數值模型，揭示了脈衝射流與球齒耦合衝擊破岩的應力波疊加損傷破岩機理，給出了脈衝射流輔助作用對球齒衝擊岩石時應力減低程度的規律，為脈衝射流輔助機械衝擊破岩機構設計提供指導；在證實脈衝射流可以降低球齒衝擊破岩極限載荷基礎上，基於彈簧、質量、阻尼器、滑動器建立機械衝擊破岩動力學模型，研究衝擊破岩系統的內在動力學行為，掌握了系統結構參數和外界載荷條件對破岩效率的影響規律，為最佳化機械衝擊破岩系統提供指導。通過本項目的順利實施，通過理論分析、數值模型相結合的方法證實了脈衝射流輔助作用能夠改善機械衝擊破岩條件，如降低球齒應力，提高衝擊破岩效率等，確定了優選的球齒衝擊、球齒與脈衝射流耦合衝擊及系統工作參數。相關研究成果發表SCI檢索論文4篇、EI源刊論文1篇，授權發明專利15項（其中國外發明專利6項），獲教育部科技進步二等獎1項（排名第4）。但是，將脈衝射流衝擊破岩技術引入機械衝擊破岩機構時，仍然存在兩方面問題需進一步研究：（1）現有脈衝射流形成方式主要包括衝擊擠壓、截斷和自激振盪，自激振盪方式形成脈衝射流的壓力低，截斷脈衝射流形成裝置體積大，衝擊擠壓脈衝要求高衝擊能，目前難以將高壓脈衝射流融入機械衝擊破岩，一定程度上限制了脈衝射流輔助機械衝擊破岩的能力；（2）可靠的高壓動密封是將脈衝射流衝擊破岩技術有效引入機械衝擊破岩機構前提，衝擊破岩機構工作時包括軸向和旋轉運動，且衝擊破岩機構振動劇烈，導致高壓動密封圈易撕裂，密封壽命短，也造成了脈衝射流輔助機械衝擊破岩的工業套用。