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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)高壓水錘沖擊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得出了沖擊活塞及配流閥相互作用的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，對(duì)高壓水錘內(nèi)部腔體的高壓水流動(dòng)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(chǎng)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(jì)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(guó)內(nèi)對(duì)水壓傳動(dòng)技術(shù)和水壓鑿巖機(jī)的研究已有初步進(jìn)展，但對(duì)煤礦井下硬巖高壓水錘的設(shè)計(jì)研究和仿真研究還未見(jiàn)展開(kāi)。

高壓水錘可實(shí)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(diǎn)。由于采用高壓水驅(qū)動(dòng)，動(dòng)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(dòng)沖擊-回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝產(chǎn)生的粉塵污染問(wèn)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(shí)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(jiǎn)化為液壓管線路的方式，以活塞撞擊鉆頭尾端的時(shí)刻為起始點(diǎn)，將活塞分加速回程、回程制動(dòng)和加速?zèng)_程3種運(yùn)動(dòng)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(guò)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(shí)，配流閥在高壓水作用于左端F1處而處于右位。活塞后腔A通過(guò)配流閥閥口F3接通低壓回水，此時(shí)，活塞為加速回程運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

(2)回程制動(dòng)工作狀態(tài)。當(dāng)活塞前臺(tái)肩越過(guò)信號(hào)孔k1時(shí)，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(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到停止。

(3)加速?zèng)_程運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。活塞經(jīng)回程制動(dòng)階段停止后，開(kāi)始向左做沖程加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)信號(hào)孔k2和k3同時(shí)打開(kāi)時(shí)，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(shí)，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(diǎn)狀態(tài)，活塞進(jìn)入到下一次循環(huán)的回程動(dòng)作。

2 高壓水錘沖擊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(duì)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(guò)程中水溫度基本保持不變。本文利用AMESim中的HCD庫(kù)對(duì)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(gè)元件將根據(jù)實(shí)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(jì)見(jiàn)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(zhǎng)度40mm配流閥閥芯外徑32mm低壓腔與中間腔密封長(zhǎng)度40mm泄露模塊間隙0.04mm

2.2 運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果分析

設(shè)置水流量為280 L/min，時(shí)間為0.1 s，步長(zhǎng)為0.002 s，得到的活塞位移-時(shí)間曲線、活塞速度-時(shí)間曲線、閥芯位移-時(shí)間曲和閥芯速度-時(shí)間曲線分別如圖4、圖5、圖6和圖7所示。活塞主要參數(shù)理論計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

圖4 活塞位移-時(shí)間曲線

圖5 活塞速度-時(shí)間曲線

圖6 閥芯位移-時(shí)間曲線

圖7 閥芯速度-時(shí)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(duì)，活塞與配流閥閥芯曲線對(duì)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(gè)周期內(nèi)所經(jīng)歷的各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段，每個(gè)階段沖擊活塞與配流閥之間的切換及其對(duì)應(yīng)關(guān)系在圖中均能找到所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，配流閥閥芯的左右位的切換決定了活塞所處的運(yùn)動(dòng)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(duì)比關(guān)系

3 沖擊機(jī)構(gòu)流場(chǎng)仿真分析

3.1 建立CFD模型

高壓水通過(guò)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(gè)流場(chǎng)，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(shí)前腔、后腔進(jìn)出口最大流速為4.9 m/s，回程時(shí)前腔進(jìn)口最大流速為6.4 m/s。建立的計(jì)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(jì)算域幾何模型

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真過(guò)程分3個(gè)運(yùn)動(dòng)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(guò)瞬態(tài)仿真計(jì)算，得出各階段的流場(chǎng)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(yùn)動(dòng)仿真模型，通過(guò)運(yùn)動(dòng)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(yàn)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(dòng)、加速?zèng)_程等各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段中相互作用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，每個(gè)運(yùn)動(dòng)階段的轉(zhuǎn)換都能找到對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，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(guó)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。

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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(guó)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。