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气爆技术下钻孔内高压气体脉冲特性的影响因素研究

气爆技术下钻孔内高压气体脉冲特性的影响因素研究

作     者:沈浪 

作者单位:西安理工大学 

学位级别:硕士

导师姓名:陈莉静;周小松

授予年度:2023年

学科分类:081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题:破岩技术 高压气体 瞬态效应 脉冲特性 数值模拟 

摘      要:气爆技术作为一种绿色、安全的新型非爆破破岩技术,在岩体致裂工程中广泛应用。气爆技术目前主要采用高压气体冲击、二氧化碳相变等方式,本文主要针对高压气体冲击钻孔破岩技术(即高压气体经专业设备释放后,通过导气管进入岩石钻孔进行冲击破岩)展开研究。其在石油、煤、矿等开采领域已取得了广泛应用,但土石方开挖工程中的应用较少,早期研究普遍将高压气体的致裂作用看作准静态过程,近年来高压气体致裂研究表明高压气体破岩过程中存在显著瞬态效应,即不同状态高压气体脉冲特性破岩效果有显著差异。本文针对高压气体通过导气管进入钻孔流动和冲击过程,在室内实验基础上,用理论探讨与数值模拟方法,研究钻孔内高压气体脉冲特性,并对影响脉冲特性的关键因素进行分析,主要成果包括以下内容:(1)在室内实验得出高压气体通过导气管进入钻孔后有明显压力激增现象的基础上,分别通过压缩瞬变理论、射流激波效应理论和基于气锤压力的气击压力冲击理论,展开分析,得出射流激波效应理论和气击压力冲击理论可以很好的解释此瞬态压力激增效应,为优化压力脉冲特性提供了优化途径和理论依据。(2)建立了高压气体冲击钻孔数值仿真模型,并针对网格尺寸、迭代步长、湍流模型等进行了有效性验证。模拟结果表明高压气体进入钻孔后脉冲特性明显,钻孔壁面压力呈现类正弦函数变化规律,压力峰值较入口初始压力有明显激增现象。从不同因素的数值仿真模拟结果中得出影响气体脉冲特性的关键因素:入口初始压力、钻孔与管道孔径比、入口速度。入口初始压力与喷距不变时,钻孔直径与管道直径的孔径比越接近1,钻孔壁面压力上升速度越快,侧壁面压力峰值越大;速度入口条件下,壁面压力随速度增大趋势更为明显。高压气体破岩设计中可按照钻孔直径、管道直径、管道长度、入口初始压力的顺序优化气爆方案。(3)以某土石方开挖工程为例,在炸药爆破设计的基础上初拟了气爆技术下破岩的方案。经推算取入口初始压力为3.2MPa,试算后钻孔壁面压力与初始压力最大压力比为1.31,压力比偏小,压力激增不显著。对钻孔直径(减小46%)、导气管道直径(增大一倍)、导气管长度(缩短60%)优化后钻孔壁面最大压力比为1.72,峰值压力达到5.50MPa,提升30%。入口初始压力增大至3.8MPa后,钻孔壁面与初始压力最大压力比为1.81,峰值压力6.89MPa,升压速度从0.062MPa/ms增大至0.244MPa/ms,压力激增效果明显,能满足破岩要求。本文研究得出高压气体经导气管进入钻孔瞬态脉冲特性明显,通过优化高压气体冲击作用的关键参数,可以明显改善气体脉冲特性,为高压气体破岩方案优化设计提供有效途径。

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