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陆海龙，王力，吴海进，张连军中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州（221008）摘要：高压磨料射流切割技术是近30年发展起来的新技术，新工艺。高压磨料射流煤岩钻割设备综合高压磨料射流切割技术和钻机钻孔施工技术，实现煤岩打钻，切割一体化完成。本文详细说明了该设备的结构组成及工作原理；理论推导了高压磨料射流破煤岩机理；通过试验，总结分析了喷射压力、横移速度、试样坚固系数对该设备切割性能的影响；简单介绍了该设备的目前应用情况。关键词：高压磨料射流煤岩钻割设备；钻割一体化；高压磨料射流破煤岩机理；切割性能;试验研究中图分类号：TD43文献标识码：A磨料水射流是20世纪80年代发展起来的新型切割加工技术，该技术最早于1983年在美国取得专利权，到目前有20多年的历史，高压磨料射流切割技术于上世纪九十年代由国外传入我国，它是以高压水为介质，通过磨料发生装置使磨料获得能量，磨料与水的混合浆体从喷嘴喷射出来，形成能量高度集中的一股，磨料粒子本身有一定的质量和硬度，因此磨料水射流具有良好的磨削、穿透、冲蚀的能力。因为该技术具有许多独特的优点，系统也较为简单，因此得到了较快的发展和应用。目前该技术已广泛应用于石油业、飞机制造业、汽车制造业、建筑工程等行业领域[1]。高压磨料射流煤岩钻割设备以高压磨料切割技术为基础，结合钻机钻进技术，实现煤岩钻孔、切割一体化。1.钻割设备结构组成及工作原理1.1设备结构组成高压磨料射流煤岩钻割设备是一种在打钻完成后，利用钻机作为切割进给动力源直接进行割缝的新型钻孔、切割一体化设备。如下图1所示，该设备组成包括高压泵站Ⅰ；磨料发生装置Ⅱ；钻机、高强度钻杆、钻割一体实现装置Ⅲ。1本课题得到国家自然科学基金项目（50534090，50574093）和国家重点基础研究发展计划（2005CB221506）的资助。支架本设备从高压泵站出来的高压水分成三路，分别为：第一路高压水到达磨料发生器的顶部，迫使磨料往下运动；第二路高压水经过单向阀到达磨料发生器底部的混合腔，依靠水的流动将磨料罐中流下来的磨料携带走；第三路高压水称为旁通水路，高压泵出来的高压水经过旁通水路直接送到磨料罐的下游，引射出混合腔里磨料浆，第二、三路的流体混合均匀后，经钻杆进入前端钻头处的喷嘴。从喷嘴射流处的高压磨料混合浆体进行切割作业。1.2设备工作过程本设备作业流程如下：在钻机钻进过程中，由钻机配合钻杆内送入的风或者低压水进行排粉，与钻机共同完成钻进作业。钻进结束后，钻机停止转动，只进行退钻作业，高压泵站加压，水压达到预定压力值后，清水与高压磨料发生装置产生的磨料粒子相混合，与此同时钻头压控装置完成射流直向钻孔到侧向割缝的切换，进行切割作业。通过阀门控制高压磨料射流水的开、关，达到随时钻进随时割缝的要求，从而实现钻割一体化。泵站溢流阀低压时打开过滤筛网与外相通压力表单向阀钻机长宽高:1873X760X880磨料罐长宽高:600X600X1800桶径400:符号截止阀单位:mm安装示意图图2设备安装示意图Fig.2Theinstallationoftheequipment高压磨料射流破煤岩机理分析磨料水射流是以水为介质,经过增压器或高压泵站增压，使水射流的压力达到一定高的压力，然后混入磨料，经磨料喷嘴喷射出固液两相射流，即高压磨料射流。该磨料射流具有一定的动能，可对被切割的煤岩产生强大的冲击动能，混入高速水射流中的磨料其动能为：2112aacEkwv=(1)式中：aW为磨料供给量；cV为磨料的流速；1K为流量系数；而在磨料加入水射流之前水射流的速度为：2wwgpvρ=(2)当磨料混入后,若水射流和磨料为同一速度，混入磨料后其速度可用下式表达：1wcawvvwQρ=+(3)将式(2)，(3)代入式(1)，得到磨料所具有的动能为：()121awaawwkpEwrQρ⎛⎞⎜⎟⎝⎠=+⎡⎤⎣⎦(4)式(2)中wρ为水的密度，在喷射压力和喷射流量Q确定以后，磨料的动能仅是aW的函数，即能量随磨料的供给量增加而加大，当awWVQ=时磨料的动能达到最大值，磨料在水射流中有横向运动及相互碰撞。因此，其混入磨料的供给量与磨料的粒度和密度成反比，而与水的速度wV成正比，即：10daaawkrdrβ−−=(5)式中K0为系数，ar为磨料的密度，d是与磨料形状有关的系数，β为速度指数，混凝土材料的体积能Ec为：200cAyEAvhvdEε=∇=(6)式中ε为材料单位体积能，ν为切除体积,A为常数，y为材料的负荷强度；E为材料的弹性模量，hc为磨料水横向移动速度，d0为磨料水喷嘴直径。当磨料的能量Ea大于煤岩体积能Ec时，材料才能被切除即：1200()(1)nwacawQwkAyEEAvhvdwErερρ=≥=∇=+(7)将式(5)代入(6),经整理得到其切割深度为：(1)aacawwkkpEyrdhwAyvdrQβρ−=+(8)分析式(8)切割深度与磨料射流作业工艺参数(即水射流压力水流量)，磨料参数(粒度、浓度)混合参数，喷嘴直径，切割控制参数(靶距,喷嘴横移速度)以及被切割材料力学性能等的因素有一定的影响关系[2]。2.2钻割设备切割性能实验研究分析本文采用单因素法，即在考察某一因素的影响规律时，其他参数保持不变。高压磨料射流的破煤岩切割效果一般包括切割深度、切割宽度。对于高压磨料射流切割，喷嘴直径很小．切割宽度变化不大。因此本实验选取切割深度作为反映射流切割效果的重要指标[3]。本实验以20目的石榴石作为磨料，采用水泥及添加适量的外加剂作为设备切割材料试样，下表1所示为试样基本参数，试样在实验前已经凝固3个月。在进行切割实验时,喷嘴轴线与试件表面垂直构成90°直角,喷嘴与试样保持1cm的距离（设备在切割作业时，喷嘴在钻孔内部，因为钻孔大小恒定，故靶距不变，因此本文不研究靶距对该设备切割性能的影响），切割深度经多次测量取其均值。表1试样参数表Table1TheparametersoftheSample试件硬度系数体积（mm3）A1.568500500500××B3.693500500500××C5.165500500500××2.2.1喷射压力对设备切割能力的影响在相同的横移速度1m/min，其他切割参数不变的切割条件下，只单一改变压力分别对A、B、C试块进行切割实验，得到图3的切割实验曲线。010203040505101520253035喷射压力(MPa)切割深度(cm)试样A试样B试样C图3切割深度与磨料射流喷射压力的关系Fig.3Theinjectionpressurechangeofthecuttingdepth随着喷射压力的增加，切割深度也增大，其切割深度主要与射流所携带的能量及切割材料受到的打击力等因素有关，切割深度与水射流喷射压力存在明显的线性关系，压力增大，切割深度增大。如果将上图中的直线延长与X轴必然存在一个交点，即：切割深度为0的位置。显而易见，当喷射压力小于这个临界压力时，切割深度始终为0。因此，水射流冲击物料时，存在着一个使物料产生破坏的最小喷射压力，当水射流喷射压力小于这个压力时，物理只能产生塑性变形而几乎不被破坏。当喷射压力超过这个压力时，物料将产生跃进式破坏[3][4]。因此，通过提高设备的磨料射流喷射压力，可以提高该设备的切割能力，但是磨料射流系统的压力不能无限制的增加，受切割设备技术性能等客观条件的制约，依靠压力的增加提高切割能力受到—定的限制。2.2.2横移速度对设备切割能力的影响在相同的喷射压力30MPa，其他切割参数不变的切割条件下，只单一改变横移速度分别对A、B、C试块进行切割实验，得到图4的切割实验曲线。010203040506050100150200横移速度(mm/min)切割深度(cm)试样A试样B试样C图4切割深度与横移速度的关系Fig.4Themovingspeedchangeofthecuttingdepth喷嘴横移速度是诸因素中惟一与切割时间有关的一个因素，其实质反映了水射流对物料的冲击时间。从上图可以看出：横移速度越小，切割深度越大，随着横移速度的加大，开始时切割深度有明显的下降，但横移速度进一步增加时，切割深度减小并不明显，即：切割深度的增长率随水射流的冲击时间的增长而逐渐减小。最终稳定在某一个切割深度上，也就是说在较高的横移速度下仍保持一定的切割深度不断增加[5]。从另一个衡量切割效果的标准切割面积来分析切割的横移速度。将射流单位时间内切割深度与横移速度的乘积定义为单位时间切割面积，即：Svh=⋅(9)式中：S—单位时间切割面积v—横移速度h—切割深度因此，可得切割面积与横移速度关系图，如下图5所示。横移速度(cm/min)切割面积(cm2/min)图5横移速度与切割面积的关系Fig.5Thecuttingareachangeofthemovingspeed由图4和5可知，较高的横移速度，虽然切割深度较小，但单位时间射流的切割面积却大大增加。因此，选择合适的切割横移速度是一种提高切割效率的有效措施。2.2.3材料硬度对设备切割能力的影响试件的坚固系数对设备的切割能力有着一定的影响,A、B、C三种试件,在一定的切割条件下（喷射压力30MPa，横移速度100cm/min），获得的切割深度不同，我们在切割实验中，获得如图6所示的实验曲线，切割深度随着试件坚固系数的增加而降低，这是因为随着试件坚固系数的增大，其抗冲蚀动能的能力有所增加，因此磨料射流冲蚀的切割深度也将有所减小，所以物料的坚固系数是选择切割最佳压力的先决条件。15202530354045501.5683.6935.165坚固系数切割深度(cm)图6坚固系数与切割深度的关系Fig.6Thecuttingdepthchangeoftherigidityofthesample试样的坚固系数大，选择的切割压力也应增加，横移速度应该减小，才能提高设备的切割能力。3.钻割设备应用目前，该设备主要应用于煤矿瓦斯突出治理，一般情况下，具有突出危险的煤层内部空隙和裂隙都很小。为了增大煤体的透气性系数，就要人为地采取措施在煤层中造成空隙，沟通及扩展煤层内部的裂隙网。对于单一煤层而言，则只有在煤层内部本身采取措施，张开原有煤层裂隙，造成新裂隙及局部卸压条件，才能改善煤层内部瓦斯流动状况。运用该设备在煤层中先打一个钻孔，然后在钻孔内利用高压水射流对钻孔二侧的煤体进行切割，在钻孔二侧形成一条具有一定深度的扁平缝槽。采用本设备钻孔，磨料射流割缝措施后，首先增加了煤体暴露面积，且扁平缝槽相当于局部范围内开采了一层极薄的保护层，达到层内自我解放，给煤层内部卸压、瓦斯释放和流动创造了良好的条件，其结果是造成了缝槽上下煤体的一定范围的较充分卸压，增大了煤层的透气性能；其次，割缝在煤体中形成的缝槽或空间在地压的作用下，使缝槽周围的煤体向缝槽空间移动，因而更扩大了缝槽卸压、排瓦斯范围。由于磨料射流割缝的切割、冲击作用，钻孔周围一部分煤体被高压水击落冲走，形成扁平缝槽空间，这一缝槽可以使周围煤体发生激烈的位移和膨胀，增加了煤体中的裂隙，大大改善了煤层中的瓦斯流动状态，为瓦斯排放提供了有利条件，改变了煤体的原始应力和裂隙状况，煤体和围岩中的应力紧张状态得到一定程度缓和，