發(fā)布時間：2017-10-14 01:36

  本文關鍵詞：快速鉆孔用潛孔錘反循環(huán)鉆頭設計與試驗研究

  更多相關文章： 快速鉆孔 貫通式潛孔錘 環(huán)狀噴射 反循環(huán)鉆頭 抽吸性能

【摘要】：煤炭工業(yè)是關系國家經濟命脈和能源安全的重要基礎產業(yè)。雖然近些年來我國一直在對能源結構進行調整，削減煤炭在能源消費量中的比重。但是煤炭在一次能源結構中的比例依然保持在60%以上，在今后相當長的時期內，煤炭將作為我國主體能源的地位不會動搖。由于我國煤礦地質條件復雜多變,煤炭生產總體技術水平較低,導致煤炭開采過程中經常發(fā)生各種災害事故,造成國家財產和人民生命的巨大損失，煤炭行業(yè)已然成為我國工業(yè)生產中傷亡事故最嚴重的行業(yè)。 有關數據統計表明，雖然在我國煤炭產量和消費量逐年增加的情況下，每年因煤炭生產的死亡總人數和百萬噸死亡率在逐年下降。尤其是隨著近些年來國家對煤礦安全生產的重視，相關的法律法規(guī)體系在逐步完善，安全管理基礎工作進一步加強，全國范圍內的煤礦安全生產形勢呈現出持續(xù)穩(wěn)定好轉的現象。但是我國安全生產狀況和世界先進產煤國家相比較還有很大差距。分析原因，除了我國煤礦地質條件復雜，開采難度大，采煤機械化程度與先進產煤國家差距較大之外，救援技術和裝備水平也遠遠落后其他先進產煤國家。 本文針對礦區(qū)復雜破碎地層條件下，應急救援快速鉆孔效率低、孔內事故多發(fā)的問題，提出將空氣潛孔錘反循環(huán)鉆進技術應用于煤礦應急救援快速鉆孔中�；诳贫鬟_附壁效應原理設計了適用于礦區(qū)復雜地層的新型環(huán)狀噴射強力抽吸式潛孔錘反循環(huán)鉆頭。通過數值模擬和室內試驗的手段對環(huán)狀噴射式反循環(huán)鉆頭的抽吸特性和反循環(huán)形成效果進行了研究，并且與現有的內噴孔引射式反循環(huán)鉆頭進行了對比分析，本文的研究內容和結論如下： （1）總結近些年來礦山救援的成功案例發(fā)現，多采用空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進技術。然而，從正循環(huán)鉆井技術實踐來看，當遇到破碎、裂隙等復雜地層時，壓縮空氣完全漏失到地層當中，無法形成循環(huán)，這樣就造成了鉆進過程中排渣困難，風量消耗大，甚至鉆進無法進行。而鑒于空氣潛孔錘反循環(huán)鉆探技術的特點和優(yōu)勢，將其推廣應用至今后的礦山救援、救生中，可以有效解決在有些工況下正循環(huán)無法鉆進的難題。將對提高我國應急救援快速鉆孔的工藝技術及裝備水平具有重要意義。 （2）空氣潛孔錘反循環(huán)鉆進技術在生產與施工中的應用，為鉆探領域帶來了巨大的經濟效益，反循環(huán)鉆頭作為該項技術的關鍵性部件也起到了較好的作用效果。野外試驗表明，應用內噴孔引射式反循環(huán)鉆頭在裂隙發(fā)育、漏失地層鉆進時，由于反循環(huán)鉆頭底噴孔的引射功能失效，反循環(huán)效果較差，孔底巖屑（樣）不能及時從鉆桿中心通道上返至地表，有相當一部分巖屑（樣）正循環(huán)漏失到地層當中，巖心采取率低。試驗現場對反循環(huán)鉆頭采取了封堵底噴孔和改變內噴孔位置的措施，但實際的反循環(huán)效果依然不理想。因此，反循環(huán)鉆頭的結構參數仍需進一步的改進和優(yōu)化。 （3）通過調研發(fā)現，空氣放大器和雙級環(huán)隙式消泡器的環(huán)狀噴嘴結構，由于附壁效應不僅可以改變氣體的流動方向，并且在其內部能夠形成較大的負壓區(qū)，可對外界氣體產生較強的抽吸作用。因此，在反循環(huán)鉆頭的結構創(chuàng)新設計中，將傳統的內噴射孔結構改為環(huán)狀噴射的結構，提出了新型環(huán)狀噴射式反循環(huán)鉆頭的結構。 （4）通過FLUENT流體動力學軟件，以直徑是Φ180mm的反循環(huán)鉆頭為例。對內噴孔引射式反循環(huán)鉆頭和新型環(huán)狀噴射式反循環(huán)鉆頭的內部流場進行了數值模擬。數值模擬結果表明，不論是否存在底噴孔，環(huán)狀噴射式結構的反循環(huán)鉆頭較內噴孔引射式反循環(huán)鉆頭而言，能在鉆頭體內部產生更大的負壓，對環(huán)空流體的抽吸作用也更強，抽吸系數是內噴孔引射式鉆頭的1.3倍左右。 （5）總結了多工藝沖擊回轉鉆進課題組根據不同的研究內容，設計研制的4套反循環(huán)模擬試驗裝置及各試驗裝置的特點。結合以往反循環(huán)模擬試驗器的設計經驗和本項目的要求，創(chuàng)新設計了JJ-180-00反循環(huán)模擬試驗器。詳細介紹了試驗器的各個組成部分及整個試驗系統所用的試驗設備、測試儀器儀表等。 （6）利用圖形化的編程語言LabVIEW的平臺建立了多通道流量壓力數據采集記錄系統，可對反循環(huán)鉆頭的孔底壓力和抽吸流量進行動態(tài)監(jiān)測并且能夠簡單快捷的記錄存儲于計算機內，方便日后的調用查看。 （7）采用逐步優(yōu)化的方式，，在JJ-180-00模擬試驗器上，對環(huán)狀噴射式結構的反循環(huán)鉆頭進行了試驗研究。試驗測試結果顯示，對于直徑為Φ180mm的鉆頭，環(huán)狀噴嘴的間隙為1mm時效果最佳；噴嘴距離孔底越低，噴射角度越小，抽吸特性和反循環(huán)效果越好。 （8）通過對稱封堵內噴孔的方式，對不同過流斷面積的內噴孔引射式反循環(huán)鉆頭進行試驗測試。結果顯示，對稱減少內噴孔個數（減小過流斷面積）能夠提高鉆頭的抽吸性能，但是過流斷面積過小容易造成進氣口的憋壓。 （9）在相同過流斷面積的條件下，對比分析內噴孔引射式和新型環(huán)狀噴射式反循環(huán)鉆頭的試驗結果發(fā)現，環(huán)狀噴射式結構的反循環(huán)鉆頭抽吸特性和反循環(huán)形成效果要優(yōu)于內噴孔引射式的結構。
【關鍵詞】：快速鉆孔 貫通式潛孔錘 環(huán)狀噴射 反循環(huán)鉆頭 抽吸性能
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P634.41
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 緒論14-28
• 1.1 選題背景14-16
• 1.2 論文研究的目的和意義16-17
• 1.3 應急救援快速鉆孔技術概述17-20
• 1.3.1 應急救援快速鉆孔技術國外發(fā)展現狀17-18
• 1.3.2 應急救援快速鉆孔技術國內發(fā)展現狀18-19
• 1.3.3 應急救援快速鉆孔技術發(fā)展趨勢19-20
• 1.4 空氣潛孔錘反循環(huán)鉆頭國內外研究現狀20-26
• 1.4.1 國外研究現狀20-24
• 1.4.2 國內研究現狀24-26
• 1.5 本文主要研究內容和研究方法26-27
• 本章小結27-28
• 第2章 環(huán)狀噴射式反循環(huán)鉆頭結構設計28-38
• 2.1 內噴孔引射式反循環(huán)鉆頭野外試驗總結28-30
• 2.2 科恩達附壁效應及相關應用30-34
• 2.2.1 附壁效應原理31-32
• 2.2.2 空氣放大器的結構原理32-33
• 2.2.3 雙級環(huán)隙式機械消泡器的結構原理33-34
• 2.3 環(huán)狀噴射式反循環(huán)鉆頭結構設計34-37
• 2.3.1 內置管式環(huán)狀噴射結構34-35
• 2.3.2 組合心管式環(huán)狀噴射結構35-37
• 本章小結37-38
• 第3章 反循環(huán)鉆頭內部流場數值模擬38-64
• 3.1 計算流體動力學概述38-39
• 3.2 反循環(huán)鉆頭內部流場數值模擬求解過程39-46
• 3.2.1 基本假定39
• 3.2.2 控制方程的建立39-41
• 3.2.3 幾何模型的建立41-44
• 3.2.4 網格劃分和邊界條件的設置44-45
• 3.2.5 模型求解與監(jiān)測曲線45-46
• 3.3 數值模擬結果分析46-63
• 3.3.1 無底噴孔時反循環(huán)鉆頭內部流場對比分析46-55
• 3.3.2 有底噴孔時反循環(huán)鉆頭內部流場對比分析55-63
• 本章小結63-64
• 第4章 JJ-180-00 反循環(huán)模擬試驗裝置設計64-88
• 4.1 試驗裝置設計研制背景64-69
• 4.1.1 空氣反循環(huán)連續(xù)取心（樣）模擬試驗器64-65
• 4.1.2 大直徑反循環(huán)鉆頭井底流動模擬試驗器65-66
• 4.1.3 引射器式反循環(huán)結構試驗器66-67
• 4.1.4 FZS-89-00 反循環(huán)鉆頭模擬試驗器67-69
• 4.2 JJ-180-00 反循環(huán)模擬試驗器的設計69-74
• 4.2.1 試驗器的設計目的69-70
• 4.2.2 試驗器的結構原理70-71
• 4.2.3 JJ-180-00 反循環(huán)模擬試驗器的組成部分71-74
• 4.3 試驗系統的組成74-86
• 4.3.1 空氣壓縮機75
• 4.3.2 供氣管路75-76
• 4.3.3 測試儀器儀表76-80
• 4.3.4 數據采集記錄系統80-86
• 本章小結86-88
• 第5章 反循環(huán)鉆頭室內試驗測試88-118
• 5.1 試驗臺架的安裝調試及試驗測試方案88-91
• 5.1.1 試驗臺架的安裝調試88-89
• 5.1.2 試驗測試方案的確定89-90
• 5.1.3 試驗用反循環(huán)鉆頭體90-91
• 5.2 環(huán)狀噴射式反循環(huán)鉆頭室內試驗91-107
• 5.2.1 環(huán)狀噴嘴間隙對反循環(huán)形成的影響規(guī)律92-101
• 5.2.2 環(huán)狀噴嘴高度對反循環(huán)形成的影響規(guī)律101-103
• 5.2.3 噴射角度對反循環(huán)形成的影響規(guī)律103-105
• 5.2.4 有底噴孔時環(huán)狀噴射式反循環(huán)鉆頭的試驗測試105-107
• 5.3 內噴孔引射式反循環(huán)鉆頭室內試驗107-110
• 5.3.1 無底噴孔時內噴孔引射式反循環(huán)鉆頭試驗測試107-109
• 5.3.2 有底噴孔時內噴孔引射式反循環(huán)鉆頭試驗測試109-110
• 5.4 內噴孔式和環(huán)狀噴射式結構反循環(huán)鉆頭試驗結果對比分析110-114
• 5.4.1 無底噴孔時的對比分析結果111-113
• 5.4.2 有底噴孔時的對比分析結果113-114
• 5.5 模擬與試驗結果對比114-117
• 5.5.1 孔底壓力結果對比114-116
• 5.5.2 抽吸流量結果對比116-117
• 本章小結117-118
• 第6章 結論與展望118-122
• 6.1 論文的主要結論118-119
• 6.2 論文的創(chuàng)新點119-120
• 6.3 展望120-122
• 參考文獻122-128
• 作者簡介及攻博期間所取得的科研成果128-130
• 致謝130

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前10條

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本文編號：1028284