环空流体强化自激脉冲淹没水射流调制与破煤特性
刘彦伟1
龙丽群2
左伟芹1
李怀珍2
韩红凯1
史进3
李运强2
苗健4
贾浩杰2
1.河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454000;河南省煤矿安全与职业危害防治国际联合实验室,河南焦作 4540002.河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 4540003.密歇根大学文学、科学和艺术学院,密歇根安娜堡481094.河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454000;山东管理学院智能工程学院,山东济南250357
摘要：针对下向孔淹没水射流卸压增透技术的瓶颈问题,即冲击力弱、破煤效率低、冲割煤量少、适应性差等,提出了环空流体强化自激脉冲水射流下向孔破煤增透思想和原理,以破除孔底压持效应和水垫增阻效应,提高淹没状态水射流的冲击力和破煤效率.采用大涡模拟、打击力测试和冲击釜破煤实验等研究方法,研究了淹没条件下环空流体强化自激脉冲水射流的高效调制和破煤特性.首先建立了适用于煤矿下向孔增透的环空流体强化自激脉冲喷嘴物理模型,优化了喷嘴结构参数;然后研制了淹没脉冲射流高频打击力测试系统和环空流体强化自激脉冲水射流喷嘴,量化分析了环空流体强化自激脉冲喷嘴在淹没环境中的打击力和流场特性;最后研发了淹没水射流破煤实验系统,开展了淹没水射流破煤实验,揭示了环空流体强化自激脉冲水射流的破煤特性.研究结果表明:在煤矿下向孔工程条件下,由两侧带有自吸口的亥姆赫兹型自激脉冲喷嘴能够有效产生环空流体强化自激脉冲水射流,最优喷嘴结构参数为上喷嘴直径d1=3 mm、壁面碰撞角α=120°、下喷嘴直径d2=3.6mm、振荡腔腔长L=10.5 mm、振荡腔腔径D=27 mm、引入口直径d3=4.2mm,泵压为10MPa时卷吸环空水量最大值为0.28 L/s,平均0.19L/s;泵压相同时环空流体强化自激脉冲水射流与自激脉冲水射流主频相近,环空流体强化自激脉冲水射流的主频为253～285Hz,而自激脉冲水射流的主频为251～282 Hz;环空流体强化自激脉冲水射流的峰值打击力分别为自激脉冲水射流、连续射流峰值打击力的1.05～1.08倍和1.63～1.89倍,平均打击力是自激脉冲水射流的1.09～1.16倍,反映了环空流体强化自激脉冲水射流在淹没状态下能够持续产生较大的打击力,具有良好的脉冲射流特性;相同泵压和靶距条件下,环空流体强化自激脉冲水射流比自激脉冲水射流、连续水射流对煤样的破坏效果更强;环空流体强化自激脉冲水射流具备良好的冲蚀煤体破坏效果,约88.65％的煤渣粒度在8 mm以下,当泵压为10 MPa,靶距为10d1时,冲蚀时间为10s,射流对煤样的冲蚀作用最佳,冲蚀深度47.32mm,冲蚀体积15.7cm3.研究成果不仅可破解煤矿下向孔水射流增透的瓶颈问题,同时具有少掘岩巷、节省成本的优势,有望替代和超越上向孔水射流卸压增透,在煤矿瓦斯灾害防治和煤层气开发领域,具有广阔的应用前景.
关键词：自激脉冲射流喷嘴结构卸压增透流场特性测试破煤实验
分类号：TD712(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(52174173)国家自然科学基金(52274188)中国工程科技发展战略河南研究院战略咨询研究资助项目(2023HENZDB05)
论文发表日期：2023-09-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：12( 3393-3404 )
英文信息