多球齿与非连续射流耦合冲击破碎坚硬煤岩动力学特性

Insufficiency of method and technology for hard coal-rock fragmentation has been a bottleneck for coal safe and high-efficient development under deep and complex formation. Aiming at improving the capacity and efficiency of coal-rock fragmentation by mechanical impact and reducing the bit wear, the dynamic characteristics of hard coal-rock impact fragmentation by coupling multi-bits and discontinuous water-jets will be investigated using theoretical analysis, numerical simulation and experimental methods. Based on the establishment of strain rate related constitutive model of hard coal-rock, the numerical models of coal-rock fragmentation by the impact of bit, discontinuous water-jet and bit/discontinuous water-jet coupling will be established, the coal-rock failure modes, cracks propagation and cracks distribution under different impact actions will be analyzed assisted with experiments, and the influence rule of discontinuous water-jet assistance on bit load, bit temperature, bit wear rate and coal-rock fragmentation efficiency also will be investigated. And on this basis, the dynamic model of coal-rock fragmentation by coupling multi-bits and discontinuous water-jets will be set up, the influence of structural parameters, external loads, impact frequency and other related parameters on the internal dynamic behaviors of coal-rock fragmentation system will be investigated, then the parameters matching rule of high-efficient coal-rock fragmentation by impact system will be pursued under discontinuous water-jet assistance, which aims to improve the reliability, high-efficiency and service life of mechanical impact mechanism in hard coal-rock fragmentation.

坚硬煤岩破碎方法和技术不足已经成为深层、复杂地层煤炭资源安全高效开发的瓶颈。本项目以提高机械冲击破岩能力、效率和降低球齿磨损率为目标，采用理论分析、数值模拟和实验相结合的方法开展多球齿与非连续射流耦合冲击破碎坚硬煤岩动力学特性研究。在构建应变率相关坚硬煤岩本构模型基础上，建立考虑热传导的球齿、非连续射流、球齿与非连续射流耦合冲击破岩数值模型，结合实验分析不同冲击载荷作用下煤岩失效形式、裂纹扩展及其分布特征等，研究非连续射流辅助作用对球齿载荷、温度、磨损率以及煤岩破碎效率等性能指标的影响规律；在此基础上，建立多球齿与非连续射流耦合冲击破岩系统动力学模型，研究破岩系统结构参数、外载荷、冲击频率等参数对系统内在动力学行为的影响，探求非连续射流辅助下系统高效冲击破岩的参数匹配规律，提高机械冲击破岩机构在坚硬煤岩破碎工作中的可靠性、高效性和使用寿命。

坚硬煤岩破碎方法和技术不足已经成为深层、复杂地层煤炭资源安全高效开发的瓶颈。首先，对球齿、脉冲射流冲击破碎坚硬煤岩过程进行研究，揭示了球齿、脉冲射流冲击破岩机理，掌握了相关参数对冲击破岩效率的影响规律，确定了较优的球齿形式和工作参数、脉冲射流结构与工作参数；然后，在球齿、脉冲射流冲击破碎坚硬煤岩研究基础上，提出脉冲射流辅助机械冲击破岩形式，采用流固耦合方法建立脉冲射流辅助球齿冲击破岩数值模型，揭示了脉冲射流与球齿耦合冲击破岩的应力波叠加损伤破岩机理，给出了脉冲射流辅助作用对球齿冲击岩石时应力减低程度的规律，为脉冲射流辅助机械冲击破岩机构设计提供指导；在证实脉冲射流可以降低球齿冲击破岩极限载荷基础上，基于弹簧、质量、阻尼器、滑动器建立机械冲击破岩动力学模型，研究冲击破岩系统的内在动力学行为，掌握了系统结构参数和外界载荷条件对破岩效率的影响规律，为优化机械冲击破岩系统提供指导。本项目通过理论分析、数值模拟相结合的方法证实了脉冲射流辅助作用能够改善机械冲击破岩条件，如降低球齿应力，提高冲击破岩效率等，确定了优选的球齿冲击、球齿与脉冲射流耦合冲击及系统工作参数。研究成果发表SCI检索论文4篇、EI源刊论文1篇，授权发明专利11项（其中国外发明专利2项），获教育部科技进步二等奖1项（排名第4）。.但是，将脉冲射流冲击破岩技术引入机械冲击破岩机构时，仍然存在两方面问题需进一步研究：（1）现有脉冲射流形成方式主要包括冲击挤压、截断和自激振荡，自激振荡方式形成脉冲射流的压力低，截断脉冲射流形成装置体积大，冲击挤压脉冲要求高冲击能，目前难以将高压脉冲射流融入机械冲击破岩，一定程度上限制了脉冲射流辅助机械冲击破岩的能力；（2）可靠的高压动密封是将脉冲射流冲击破岩技术有效引入机械冲击破岩机构前提，冲击破岩机构工作时包括轴向和旋转运动，且冲击破岩机构振动剧烈，导致高压动密封圈易撕裂，密封寿命短，也制约了脉冲射流辅助机械冲击破岩的工业应用。