磨料漿體射流聯合刀具截割薄煤層性能研究

《磨料漿體射流聯合刀具截割薄煤層性能研究》是依託中國礦業大學，由郭楚文擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：磨料漿體射流聯合刀具截割薄煤層性能研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：郭楚文
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

針對薄煤層因矸石含量高導致截割刀具磨損嚴重、採掘困難的問題，本項目以提高破碎煤岩能力與效率為研究目標，利用磨料漿體射流可靠、安全、高效切割的特點，開展磨料漿體射流聯合刀具截割薄煤層性能研究，主要研究內容包括：建立磨料漿體射流非牛頓流體特性模型，建立漿體射流破岩理論，尋求適合薄煤層開採的最佳漿體射流參數；建立磨料漿體射流聯合刀具破岩動力學模型，研究煤岩體在漿體射流與刀具共同作用下的應力應變場，尋找磨料漿體射流與刀具耦合系統的工作參數與煤岩體特性間的關係，構建磨料漿體射流系統工作壓力、流量的自動控制模式；開展磨料漿體射流聯合刀具破岩試驗研究，探索在漿體射流切槽情況下刀具受載、破岩效率、截割比能耗等參數間的關係，尋求聯合破岩系統的最優參數，提高截割刀具對堅硬煤岩的適應性。研究成果為薄煤層的高效安全開採提供一種新方法。

結題摘要

針對複雜地質（含硬夾矸、斷層以及金屬化合物結核等）薄煤層開採過程中存在的刀具磨損嚴重，開採效率低下等問題，本項目提出將磨料漿體射流引入薄煤層開採中，利用磨料射流的高速衝擊特性，聯合滾筒採煤機截齒聯合破岩，實現薄煤層的高效安全開採。一是以揭示磨料漿體射流聯合截齒耦合破岩機理為目標，運用流體力學、損傷與斷裂力學、有限元等理論與方法，建立磨料漿體射流非牛頓流體特性模型，建立磨料漿體射流衝擊岩石動靜態應力應變分布模型，建立磨料射流與截齒聯合破岩動力學模型，得出聯合系統耦合作用下岩石的動態破碎過程，補充了岩石破碎理論，具有重要的學術價值。二是以提高聯合系統破碎煤岩能力與效率、降低刀具受力及磨損速度為目標，設計研發新型磨料漿體射流系統，搭建磨料漿體射流聯合單截齒破岩試驗台，開發磨料射流聯合多刀具岩石截割機構，構建自適應磨料漿體射流系統，深入開展磨料漿體射流聯合刀具截割薄煤層性能研究，得出適合薄煤層開採的最佳磨料漿體射流參數和配置方式。研究結果表明：提出的三種射流聯合截齒破岩形式中，最佳配置方式為射流置於截齒中心，其次是射流置於截齒之前，效果最差的是射流置於截齒之後；構建的自適應磨料漿體射流系統可實現40MPa磨料漿體射流聯合截齒截割硬岩，5MPa漿體射流輔助截齒截割煤層；當截割速度大於0.2m/s時，自控水力截齒的動態回響特性較好，能夠有效解決工作面積水問題；磨料漿體射流聯合單截齒破岩研究中，當磨料漿體射流壓力為46MPa時，截齒所受截割阻力最小，減小百分比為34.27%；磨料漿體射流聯合多截齒破岩研究中，當磨料漿體射流壓力為40MPa時，設有中置射流式截齒的截割機構所受扭矩、阻力以及能耗最小，扭矩最大降低46.2%，推進最大降低40.5%，破岩比能耗最大降低35.1%。研究成果證明了磨料漿體射流能有效降低刀具磨損，提高破岩效率，為複雜地質薄煤層採掘裝備磨料漿體射流聯合滾筒破岩裝備的研發提供了理論基礎和數據支撐，具有重要的實際套用意義。