高压水射流割缝技术（精选7篇）
高压水射流割缝技术 篇1
瓦斯是煤矿生产最大的安全隐患,经过多年的发展,瓦斯防治工作有了较大的进步,但仍然与煤矿安全生产的要求有一定差距。在煤与瓦斯突出的内在机理和防治突出的措施、技术、装备等方面仍存在诸多问题有待深层次探讨[1,2]。对以往大量煤与瓦斯突出进行详细统计分析表明,大部分煤与瓦斯突出发生在煤巷掘进工作面[3]。煤巷掘进生产过程中,瓦斯突出对职工造成重大生命安全威胁,与此同时,现有煤巷掘进突出防治措施复杂,一些措施的施工效率非常低,由此造成巷道进尺速度较慢,严重时可以导致采掘比例失衡[4]。有效防止煤与瓦斯突出,一可保障煤矿安全生产,二可提高煤巷掘进的速度。因此,选择使用有效的防突技术非常重要。笔者阐述了高压磨料水射流割缝技术防突原理,并在煤巷工作面进行了实践与应用,结果表明,高压磨料水射流割缝技术能避免高突工作面的突出事故,提高掘进速度。
1 高压磨料水射流割缝卸压防突原理
1.1 装置系统
采用高压水泵供给高压水流,并在高压水流系统中加入磨料粒子,这些磨料粒子具有一定的浓度,二者在混合腔内经过充分混合,混合流经高压胶管流向高压喷枪,最后经喷嘴喷出,喷嘴喷出的极高速度的磨料粒子流就是磨料水射流[5,6,7]。射流中的粒子具有一定的硬度和质量,射流具有很好的穿透磨削、冲蚀的能力,能将煤层割出缝隙。高压磨料割缝装置系统[8]如图1所示。
1.2 卸压防突原理
在煤层钻进过程中,利用高压磨料水射流对两侧的实体煤进行冲蚀、切割,随着切割的深入,在两侧煤体内形成一条扁平槽缝,槽缝具有一定的深度,被切割下来的煤体随水流带出钻孔外。通过射流割缝,钻孔内煤体的暴露面积增加,一方面从保护层角度考虑,槽缝就相当于开采了一层很薄的保护层,从而层内自我解放,内部卸压,增大了煤层的透气性,为煤体内瓦斯流动和释放创造条件;另一方面,槽缝周围的煤体在地压的作用下向槽缝空间移动,扩大了卸压和排瓦斯的范围。因此,高压磨料水射流割缝卸压防突技术增大了煤层透气性,提高了抽采瓦斯的能力;同时又加大掘进面前方卸压区范围,起到防止突出的效果[9,10]。
2 卸压技术方案及工业性试验
2.1 工作面情况
试验地点选在平煤股份十二矿31010煤巷掘进工作面,该地点是十二矿规划的三水平首采工作面,位于三水平东翼上部,东邻八矿、南邻十二矿北山风井保护煤柱、西邻三水平三条下山、北面为未开采区域。工作面地表为高山,地面最高标高为+370 m。工作面回风巷设计1 065 m,胶带运输巷设计1 041 m,胶带运输巷瓦斯抽排巷1 034 m,切眼220 m。工作面设计可采走向长970 m,采高3.2 m,可采储量90万t。经测算,该工作面煤层瓦斯含量为22.5 m3/t,瓦斯压力为2.6 MPa。煤层顶、底板透气性较差,不利于瓦斯释放。
2.2 钻孔布置
在工作面施工排放孔完成以后,对其上排的1、3、5、7号孔,其第2排的10、12、14、16号孔,其第3排的17、19、21、23号孔,其第4排的26、28、30、32号孔,总共16个钻孔进行高压磨料水射流割缝(图2)。高压磨料水射流割缝有一定的影响范围,巷道两帮的割缝孔进行高压磨料水射流割缝后可影响到巷道轮廓线以外的范围。割缝时,要求相邻孔之间尽量割穿,以确保卸压效果。
2.3 安全措施
割缝前必须检查割缝钢管的密封及连接的可靠性,严禁使用有砂眼的钢管。割缝时,水压控制在25～30 MPa范围内,若水压高于30 MPa,应立即进行卸压[11]。当喷头进入孔内预定深度后,方可加压割缝。当割缝至距离钻孔孔口2 m处时,应停止割缝,以免高压水伤人。换孔割缝及拆卸割缝设备时,必须先将压力泵全部卸压停泵后进行。割缝工作现场必须由专人负责统一指挥,并且在掘进工作面吊挂便携瓦斯仪,当瓦斯浓度达到0.8%时,立即停止割缝采取措施,待正常时方可继续割缝。
2.4 试验过程
该试验选取Ø2.1 mm的喷嘴,水压控制在一定范围内,水压一般不大于30 MPa,磨料粒子供给量4 kg/min,泵供水流量为1.5 m3/h左右,割缝时喷枪伸入到钻孔内9 m处,两侧割缝高度约35 mm,割缝深度均约750 mm。准备好相关工作,开启高压水泵,割缝沿钻孔由里向外匀速割缝,割缝速度保持在1～2 m/min。1#孔割缝过程中,有大量煤粉从孔内排出,发现大量水从2#孔内流出,说明1#、2#钻孔已经割通。之后再对3#钻孔进行割缝,依次往下进行。
3 试验效果分析
3.1 瓦斯浓度变化情况
在割缝进行的过程中,卸压作用呈现显著,瓦斯涌出量也有较大幅度提高。割缝前,因受应力集中的影响,煤体内的裂隙闭合,大量吸附状态的瓦斯被封存。在水射流的高压冲击下周围煤体卸压,裂隙迅速张开,透气性大大提高,吸附瓦斯迅速解吸,随着割缝的深入,瓦斯涌出量一直增加,割缝至孔底,瓦斯涌出量也达到最大值。割缝期间,巷道中瓦斯浓度最大值是之前的2倍左右,最大值为0.89%,稳定后的瓦斯排放也是之前的2倍左右,割缝前后巷道瓦斯浓度变化情况如图3所示。
3.2 有效影响范围
对煤体割缝过程中,随着槽缝的逐步形成,槽缝周边煤体内瓦斯的赋存状态遭到极大破坏,钻孔内瓦斯的涌出量会有较大的变化,基于此,可以通过测试钻孔内瓦斯涌出量的变化判断割缝的有效影响半径[12](图4)。
由图4可以看出,距缝槽中心4 m处瓦斯涌出量明显增大,而距离缝槽中心6 m处瓦斯涌出量与瓦斯原始涌出量变化不大。因此,根据判别指标认为割缝影响范围在4～5 m。根据巷道工作面钻孔布置,巷道两帮的钻孔进行割缝后可影响到巷道轮廓线以外的范围,降低了煤层巷道掘进工作面的突出危险性。
3.3 割缝前后含水量的变化
煤体经过射流割缝变得湿润,通过测试对比,割缝后煤的水分增加3%～5%,水对瓦斯起阻碍作用,瓦斯涌出量和速度都得到控制[13,14]。含水量的增加使煤的力学性质也发生了变化,塑性增大,弹性和强度减小,前方应力分布也发生根本变化,应力集中系数减小,高应力带转移至煤体深部。
3.4 割缝对放炮后巷道粉尘浓度的影响
对放炮25 min以后的粉尘浓度进行了测试,测试地点距工作面5 m处,测试数据见表1。
3.5 巷道掘进速度
工业性试验采用的高压磨料水射流割缝技术是平煤十二矿防突措施的有效补充,增强了防突措施的有效性,起到了提高瓦斯抽放浓度和防突的效果,并且大大缩短了措施执行时间,施工排放孔由原来的5个小班缩短到2个小班,提高了掘进速度。
4 结论
(1)高压磨料水射流割缝卸压防突技术一方面可以增大煤层透气性,提高瓦斯抽采能力;另一方面可以增大工作面前方卸压区范围,使煤体得到充分卸压,起到防止突出的效果。
(2)高压磨料水射流割缝技术及装备在平煤十二矿31010掘进工作面的应用,证明该技术可快速卸压、增透,能够提高掘进速度和掘进期间的安全性。
(3)煤巷工作面掘进速度得到提高,缓解了采掘接替紧张问题;割缝后煤体含水量增加,应力集中系数减小,高应力带转移;粉尘减少,劳动环境得到改善;具有良好的经济和社会效益。
高压水射流割缝技术 篇2
山西霍尔辛赫煤业有限责任公司为高瓦斯矿井, 位于长治市长子县, 井田面积为71.3947 km2, 批准开采3号煤层, 批准开采标高为+500~+300m, 生产规模为3.00 Mt/a。3号煤层倾角为5°左右, 煤厚4.49~7.17 m, 平均5.65 m, 煤层瓦斯含量为8.5~10.5 m/t, 最大瓦斯压力为0.52MPa, 最大瓦斯放散初速度为23.1, 最小煤的坚固性系数为1.27, 煤的破坏类型为II类。
3号煤层透气性系数为0.000206m2/ (MPa2·d) , 钻孔瓦斯流量衰减系数为0.37d-1, 根据《煤矿瓦斯抽放规范》 (AQ 1027-2006) 可以判定, 该煤层为较难抽放煤层。如何有效增加3号煤层透气性、提高瓦斯抽采效果, 成为矿方亟需解决的问题。为此, 本文开展了低渗煤层水射流割缝增透抽采瓦斯技术试验研究。
长期以来, 国内外众多研究者针对水力割缝技术进行了大量深入细致地研究。自马凯耶夫煤矿安全研究院于1968~1972年提出煤体水力破裂方法以后, 水力割缝技术得以不断改进、推广及应用。张其智等[1]通过数值模拟和现场试验, 分析了割缝煤体受扰动影响的变化规律, 现场试验表明割缝后瓦斯抽采效率大大提高;沈春明等[2]进行了高压水射流割缝试验, 分析了割缝对煤体透气性的影响;王婕等[3]模拟了割缝排放低透气性煤层内瓦斯的过程, 指出割缝是降低低渗煤层突出危险性的有效方式;林柏泉等[4]对影响割缝钻孔卸压效果的因素进行了数值分析, 指出割缝可以消除“瓶塞效应”;唐建新等[5]设计了钻孔中煤体割缝的高压水射流装置, 并进行了现场试验。上述研究工作将为本文提供有益的参考与借鉴。
1 水射流增透原理及割缝设备
1.1 水射流割缝增透原理
水射流割缝增透的基本原理为:煤层钻孔施工完毕后, 将柔性钢管伸入孔内, 高压水射流通过特制喷头喷出, 以极大能量对煤体进行切割、破碎, 随之形成一个大尺寸孔洞, 如图1所示。破碎煤块被水流带出孔外[6,7,8], 孔洞周围煤体将发生大幅度径向移动, 促使地应力降低、孔周煤体卸压、裂隙增多, 这些都将促进瓦斯解吸与排放[9];此外, 孔周煤体经高压水润湿后, 其脆性降低、塑性增加, 煤体力学性质得以改善[10,11]。
1.2 水射流割缝设备
水射流割缝采用自主研发的瓦斯抽采孔水力作业机, 如图2所示。
水力作业机主要包括四部分:远程操作台、水箱、水泵、作业机。作业机采用柔性钢管, 含3个喷头—割缝喷头、洗孔喷头、冲孔喷头, 设计水压为0~45 MPa, 流量为12m/h。与其它割缝设备相比, 水力作业机的最大优势在于其高度及方向可任意调节, 且体积较小, 井下运输、移动方便。
2 水射流割缝增透技术试验研究
2.1 钻孔设计
试验地点在8#联络巷和西回风大巷交叉口附近, 如图3所示。在煤层中施工5个顺层钻孔, 钻孔参数见表1。其中, 5#钻孔不进行割缝, 仅作为效果对比孔。
2.2 水射流割缝工艺流程
(1) 调整作业机机架升降调节装置, 使疏管达到设计工作高度和倾角;
(2) 调整校直机构的调节导向轮, 使连续钢管校直;
(3) 启动连续钢管驱动机构, 合理控制推进速度, 使钢管到达孔底;
(4) 启动高压水泵, 进入正常供水状态。水泵将高压水通过高压不锈钢缠绕管注入割缝喷头, 经喷头射出切削煤体;
(5) 水泵水压控制在35~40 MPa内, 由孔底向孔口方向逐段进行割缝。每0.5 m作为一个循环, 在每个循环内反复进退喷头, 直至孔口返水颜色变清;每割缝1~3 m, 暂停1~3 min, 观察水质。依次进行, 直至冲孔结束;
(6) 冲孔结束后, 及时统计冲出煤量及割缝期间瓦斯涌出量;
(7) 退出钢管, 将割缝喷头更换为洗孔喷头, 进行洗孔作业;
(8) 封孔, 联管抽采, 并每天观测瓦斯抽采数据。
2.3 水射流割缝效果分析
试验期间, 1~4#割缝钻孔、5#效果对比孔的抽采浓度及抽采纯量变化情况, 如图4、图5所示。
根据图4、图5, 分别统计割缝钻孔、效果对比孔的瓦斯抽采数据, 见表2。
由表2可以看出:经高压水射流割缝后, 瓦斯抽采钻孔的平均抽采浓度增加3.87~9.31倍, 平均抽采纯量增加2.67~7.33倍, 增透效果显著。此外, 割缝钻孔出煤量为2.3~3.4 t, 使钻孔周围煤体地果进行全面分析。应力得以有效释放, 这也正是瓦斯抽采效果显著提高的主要原因。
3 结论
高压水射流割缝增透技术可使钻孔周围煤体地应力得以有效释放, 利于瓦斯解吸;同时, 可增加煤层内裂隙、裂缝的数量、长度及张开度, 利于瓦斯流动。此外, 瓦斯抽采孔水力作业机高度及方向可任意调节, 便于施工, 且体积较小, 井下运输、移动方便。因此, 该项技术现场应用前景广阔。
需要说明的是, 本文仅是初步试验, 样本有限。下一步需增加试验样本, 以期对水射流割缝增透效
摘要：霍尔辛赫煤矿为高瓦斯矿井, 3号煤层为较难抽放煤层, 如何有效增加3号煤层透气性、提高瓦斯抽采效果, 成为矿方亟需解决的问题。为此, 采用自主研发的瓦斯抽采孔水力作业机, 开展了低渗煤层高压水射流割缝增透抽采瓦斯技术试验研究。研究表明:经高压水射流割缝后, 瓦斯抽采钻孔的平均抽采浓度增加3.87~9.31倍, 平均抽采纯量增加2.67~7.33倍, 增透效果显著;割缝钻孔出煤量为2.3~3.4 t, 使钻孔周围煤体地应力得以有效释放, 这也正是瓦斯抽采效果显著提高的主要原因。
关键词：低渗煤层,高压水射流,割缝,增透,瓦斯抽采
参考文献
[1]张其智, 林柏泉, 孟凡伟.高压水射流割缝对煤体扰动影响规律研究及应用[J].煤炭科学技术, 2011, 39 (10) :49-53ZHANG Qi-zhi, LIN Bai-quan, MENG Fan-wei, et al.Research and application on disturbance influence law of seam slot cutting with high pressurized water jet[J].Coal Science and Technology, 2011, 39 (10) :49-53
[2]沈春明, 林柏泉, 吴海进.高压水射流割缝及其对煤体透气性的影响[J].煤炭学报, 2011, 36 (12) :2058-2063SHEN Chun-ming, LIN Bai-quan, WU Hai-jin.Highpressure water jet slotting and influence on permeability ofcoal seams[J].Journal of China Coal Society, 2011, 36 (12) :2058-2063
[3]王婕, 林柏泉, 茹阿鹏.割缝排放低透气性煤层瓦斯过程的数值试验[J].煤矿安全, 2005, 36 (8) :4-7WANG Jie, LIN Bai-quan, RU a-peng.Numerical test ofgas drainage in low air permeability coal seam by riftingslots[J].Journal of Coal Mine Safety, 2005, 36 (8) :4-7
[4]林柏泉, 杨威, 吴海进, 等.影响割缝钻孔卸压效果因素的数值分析[J].中国矿业大学学报, 2011, 39 (2) :153-157LIN Bai-quan, YANG Wei, WU Hai-jin, et al.Numerical analysis of the effects different factors on slotted drilling[J].Journal of China University of Mining&Technology, 2010, 39 (2) :153-157
[5]唐建新, 贾剑青, 胡国忠, 等.钻孔中煤体割缝的高压水射流装置设计及试验[J].岩土力学, 2007, 28 (7) :1501-1504TANG Jian-xin, JIA Jian-qing, HU Guo-zhong, et al.Design and experimentation of high-pressure water jet setapplied to incising coal seam in boreholes[J].Rock and Soil Mechanics, 2007, 28 (7) :1501-1504
[6]赵岚, 冯增朝, 杨栋, 等.水力割缝提高低渗透煤层渗透性试验研究[J].太原理工大学学报, 2001, 32 (2) :109-111ZHAO Lan, FENG Zeng-chao, YANG Dong, et al.Testingstudy of improving seepageflow laws of low seepage coalbed by hydratic-cutting seams[J].Journal of Tai Yuan University of Technology, 2001, 32 (2) :109-111
[7]宋维源, 王忠峰, 唐巨鹏.水力割缝增透抽采煤层瓦斯原理及应用[J].中国安全科学学报, 2011, 21 (4) :78-82SONG Wei-yuan, WANG Zhong-feng, TANG Ju-peng.Principle of gas extraction by increasing permeability of coal seam with hydraulic cutting and its application[J].China Safety Science Journal, 2011, 21 (4) :78-82
[8]段康廉, 冯增朝, 赵阳升, 等.低渗透性煤层钻孔与水力割缝瓦斯排放的试验研究[J].煤炭学报, 2002, 27 (1) :50-53DUAN Kang-lian, FENG Zeng-chao, ZHAO Yangsheng, et al.Testing study of methane drainage by bore and hydraulic-cutting seam from low permeability coal seam[J].Journal of China Coal Society, 2002, 27 (1) :50-53
[9]叶青, 李宝玉, 林柏泉.高压磨料水力割缝防突技术[J].煤矿安全, 2005, 36 (12) :11-14YE Qing, LI Bao-yu, LIN Bai-quan.Technology of highpressure abrasive hydraulic cutting seam[J].Safety in Coal Mines, 2005, 36 (12) :11-14
[10]王瑞和, 倪红坚.高压水射流破岩机理研究[J].石油大学学报, 2002, 26 (4) :118-122WANG Rui-he, NI Hong-jian.Research of rock fragmentation mechanism with high-pressure water jet[J].Journal of the University of Petroleum, 2002, 26 (4) :118-122
高压水射流割缝技术 篇3
冲击地压是影响矿上安全生产的传统难题。由于它主要是因为地应力集中导致,因此随着近年来开采深度的增加,冲击地压发生频度和强度都有所增加。预防冲击地压的发生是一个迫切需要解决的问题。因此引起工程技术人员对防冲进行了广泛的研究,并提出了各种防冲的方法[1,2,3],以求在最大程度上减少冲击地压带来的损失。利用高压水射流侧喷孔经行割缝卸压防治冲击地压,比传统机械方法卸压效果好,并易于实现。
1 高压水射流割缝的卸压机理
在传统的钻孔卸压中,卸压效果以单一钻孔周围破碎区半径R表示,前苏联学者对其研究实验表明,单一钻孔周围破碎区半径由下式确定:R=βa,其中β为破裂范围系数,他与孔壁松散系数和实际钻削量有关,a为钻孔半径。在式中可以看出,实际卸压效果近似与钻孔半径成正比。而在利用高压水射流割缝卸压的过程中,上式中的钻孔半径a应由下式确定:a=r+l。其中r为原钻孔径,l为一侧的割缝缝深。由于大尺度割缝的易于实现,可以看出,应用高压水射流割缝卸压的效果要明显优于传统的机械钻孔卸压方法。
2 高压水射流割缝实验设备
高压水射流割缝设备具体包含如下部分:①高压纯水水泵一台(流量≥4.2 m3/h,压力≥70 MPa),②连续推进装置一台,③低碳钢连续管(外径25 mm,壁厚3.6 mm),④喷头支撑导向架,⑤高压割缝喷嘴;其工程流程如图1所示。
工作时,低碳钢连续管缠绕在金属卷筒上,通过装在卷筒上的校直装置进行校直,经由连续推进装置进行推进。喷头装置内部结构如图2所示
一般一个喷头一侧有互成角度的两个喷孔[约为(5°~7°]即一个喷头上有4个喷孔,这样可以大大增加割缝效率,图3为割缝工作面的正视剖面图。
3 水射流割缝实验
实验所用水泥砂浆试件尺寸为高1 m,宽2 m,长2 m。实验所用高压水泵排量为5.6 m3/h,水压为120 MPa,行程70 m。试件制作时预留直径为7 cm的孔洞,实验时将喷头置于孔洞中以恒定进给速度推进,切割试件。图4为被切割后的试件。
3.1 切削体积与压力的关系
从图5中可以看到,当水泵给水压力在达到试件抗压强度的10倍至20倍之间时,切削量基本保持缓慢增长。当水泵给水压力达到试件抗压强度20倍时,切削体积大幅提高。再增大压力时,切削体积的增加不再明显。
3.2 切削体积与排水量的关系
由图6可以看出,试件的切削体积是随相对排水量的单调递增函数,在排水量(L/min)为抗压强度(MPa)的5—15倍和20倍以上时,增长趋势缓慢,在排水量为抗压强度的15—20倍时,增长趋势明显。
3.3 切割深度与压力的关系
割缝深度基本随压力的增长而呈现线性增长。当射流压力大于20倍抗压强度时,增长趋势缓慢。综合3.2部分的结论,可以得出:在射流压力大于20倍试件抗压强度时,切割效率的增长主要体现在割缝宽度上。
3.4 切到深度与排水量的关系
由图8可以看出,割缝深度随相对流量呈近线性增长,而增长趋势随相对流量的增大而减缓,进而可以分析出排水量对于割缝深度的影响随着试件抗压强度的增加而减弱。
4 结论
(1) 当射流的水压力小于10倍试件抗压强度时,切削效果大幅下降,当射流的水压力大于20倍试件抗压强度时,切削效果最为理想。
(2) 增加喷头进给速度时,最小鏠宽及缝深受到较大影响。
(3) 单位长度的切削体积主要依赖于射流压力,喷头进给速度及试件本身的物理性质。
参考文献
[1]李成全,李中华,潘一山.高压旋转水射流防治煤矿冲击地压实验研究.辽宁工程支术大学学报,2003;22(6):794—796
[2]张永利,张彦和,吴恩成.水射流切割理论研究进展.辽宁程技术大学学报,1999;18(5):503—506
高压水射流割缝技术 篇4
1 高压射流割缝卸压增透原理
1.1 高压射流破煤岩机理
岩体的破坏形式主要是在拉应力作用下的脆性破坏, 由于岩石的抗拉强度比其抗压强度小10倍以上, 抗剪强度比抗压强度小2倍以上, 射流冲击产生的压应力虽然达不到岩石的抗压强度, 而拉应力和剪应力却分别超过了岩石的抗拉和抗剪的极限强度, 在岩石中形成裂隙。当射流冲击岩体的压缩波传播到岩体的自由表面时, 岩体所受到的应力从入射时的压缩应力变为全反射时的拉伸应力[8]。当拉伸应力超过部分低强度岩体的拉伸强度时, 则在那里发生拉伸破裂, 形成裂隙。
1.2 旋转切片式穿层割缝卸压增透技术
旋转切片式穿层割缝卸压增透技术工艺是在普通打钻完成后, 煤层退钻过程中每隔一段距离利用高压水射流对煤体进行旋转切割, 形成以钻孔为中心、半径约500 mm且有一定厚度和宽度的缝槽, 如此循环作业至煤岩交接处, 切割的煤体在高压水的冲刷作用下排出钻孔。缝槽形成的面形空间相当于在煤层内部小范围内开采保护层, 破坏了煤层内部原有的应力平衡, 地应力重新分布, 其上下两侧的煤层向中间空间体移动, 煤层发生卸压 (地应力减小) 、变形、膨胀, 同时产生不同大小的裂缝。利用这个原理, 在煤层巷道前方进行一系列的高压射流钻割一体化钻孔, 那么这些煤体内部的小型保护层将覆盖前方区域的整个煤体, 最终达到整体卸压的效果, 使得煤体透气性增大, 进一步促进瓦斯排放, 瓦斯压力与瓦斯含量下降, 瓦斯潜能降低, 同时由于大量瓦斯的释放, 使煤的坚固性增加, 即增高了煤自身抗突出的性能。
2 割缝卸压增透实施方法
钻割设备主要由乳化液泵站、钻机以及特制钻具 (包括高压水辫、能够进行辅助钻进和排粉的水射流钻头、阻力系数小且速度系数及流量系数大的圆锥收缩型喷嘴) 组成。高压定向水力压裂设备包括压裂系统、管路系统、监测系统3个主要部分。注水泵与乳化液泵共用自动控制水箱, 通过三通接入管路, 定向压裂前首先使用乳化液泵进行注水, 达到需要的压力时人工停止静压注水泵, 打开注水泵开始脉动压裂, 当出现压力骤减或压力稳定时停止压裂, 开始乳化液泵注水, 如此反复, 直至达到需要的压裂压力及脉动压裂时间后停止压裂。
现场施工时, 先利用岩石钻头进行岩石段的钻孔打钻直至煤层顶板, 然后退出钻杆换上水力割缝钻头继续钻进到煤层顶板位置, 随后退钻水力割缝。割缝施工结束后, 及时封孔、联网进行抽采。抽采过程中对增透效果进行考察, 若抽采评价指标达到方案中预定的效果, 则持续抽采至阶段达标。否则, 按设计重新进行维护和修复, 直至达到抽采设计目标, 保证煤层瓦斯抽采达标。
3 现场试验及结果分析
3.1 试验区概况
现场试验在焦作九里山矿15采区15071底板抽采巷进行, 巷道距煤层底板垂距7 m, 煤层平均厚6 m, 煤层倾角15°, 煤层赋存稳定。实测15采区瓦斯含量31.0~33.19 m3/t, 瓦斯压力1.30~1.74MPa, 煤层透气性系数0.200~0.457 m2/ (MPa2·d) , 钻孔瓦斯流量0.02~0.04 m3/ (min·hm) , 衰减系数0.012 6~0.038 9 d-1。煤层透气性差, 抽采较为困难。
3.2 穿层割缝钻孔施工设计
15071底板巷抽采钻孔采用单双列布置的方式, 单列布置7个钻孔, 双列布置6个钻孔, 每组共13个钻孔, 组间距为5 m。钻孔布置情况如图1所示。
在底板巷穿层钻孔布置的基础上, 选择每单列的3、7、11号钻孔进行水力割缝, 实现每组钻孔的均匀卸压, 割缝钻孔如图2所示。
3.3 水力割缝施工情况
根据前期试验发现, 九里山矿煤层赋存有一定规律, 在煤层上部存在约1 m厚的软分层, 瓦斯含量和瓦斯压力极大, 剩余煤层段煤质较硬, 瓦斯较小, 故主要选择在煤层顶部的软分层进行割缝试验。根据设计施工方案和现场施工条件要求, 在现场施工50余组钻孔, 部分施工钻孔参数见表1。
3.4 割缝卸压增透效果考察
(1) 单孔出煤量及钻割煤体扰动体积对比。出煤量是验证和考察割缝效果的重要指标, 通过对割缝钻孔和普通钻孔的出煤量进行统计, 利用数学反算法对割缝煤体的扰动范围进行计算。取23-7、31-11割缝孔与普通孔进行分析对比, 数据见表2。
从表2可以看出:进行水力割缝试验后, 与普通钻孔相比, 直接扰动半径提高了20倍左右, 扰动体积提高了97倍左右, 煤体暴露表面积增大5倍左右。从上述分析可以看出, 采用水射流割缝后, 煤体的扰动影响范围大大提高, 其内的煤体裂隙充分发育, 有利于瓦斯抽采;同时, 在水射流的作用下, 煤体发生了不规则运移, 改变了煤体原有的应力场分布, 扩大了煤体的破碎区、卸压影响区范围;另外, 由于煤体暴露表面积增大, 加大了瓦斯流动表面积, 为高效抽采瓦斯提供了有利条件。
(2) 瓦斯抽采流量考察。试验过程中, 按照设计钻孔参数进行钻孔割缝后, 将钻孔封孔、连接至巷道内瓦斯抽采管网进行瓦斯抽采, 并分别安装了流量计测量瓦斯抽采流量, 考察钻孔在一定时间内瓦斯抽采量及抽采率的变化规律。此次现场试验采用孔板流量计定时测量钻孔的抽采流量和抽采浓度。考察时间为40 d, 测量间隔时间为2 d。根据各组钻孔的抽采瓦斯量、组内钻孔总长计算百米钻孔平均纯瓦斯抽采量。割缝钻孔31-1、97-1和普通钻孔28-1、27-1的抽采纯量、百米抽采量、抽采浓度统计结果如图3—图5所示。
通过对不同的抽采指标进行对比可以发现, 经过高压射流割缝后, 钻孔的瓦斯流量和瓦斯浓度明显大于普通钻孔, 且割缝钻孔出煤量越多, 瓦斯流量越大, 浓度越高。这说明高压射流割缝卸压增透技术能够在煤层中形成有效的卸压空间, 利于煤层中的瓦斯流动, 提高抽采效果。
(3) 瓦斯抽采达标时间考察。选择出煤量相近的割缝钻孔31-1、32-1、97-1与普通钻孔进行对比。从累计抽采量来看, 未割缝钻孔在40 d内的抽采量为9 094.5 m3, 而割缝钻孔在40 d内的抽采量达到21 173.6 m3, 是未割缝钻孔的2.33倍, 在相同的抽采条件下, 瓦斯抽采达标时间缩短57.1%。
(4) 割缝影响半径考察分析。此次测试采用相对压力指标法测定割缝孔的抽采有效影响半径[9], 若考察孔压力变化降低51%以上, 则该孔处于割缝孔抽采影响范围之内。在50 d的抽采周期内, 割缝孔有效影响半径为4~5 m, 普通钻孔抽采影响半径为2.5 m, 割缝钻孔的抽采影响半径提高了1.6~2.0倍。另外, 抽采有效影响半径与抽采时间有一定关系, 在一定时间内, 抽采时间越长, 影响半径越大, 反之越小。
(5) 透气性系数对比分析。煤层透气性系数是煤层瓦斯流动难易程度的标志, 也是体现煤层卸压程度的重要标志之一[10,11]。采用非稳定径向流量法 (中国矿业大学) 测定透气性系数, 通过湿式流量计测定不同时刻的钻孔瓦斯流量。现场选取3个割缝孔和3个普通孔作为考察钻孔, 求取煤层透气性系数。考察结果显示割缝孔的透气性系数是普通孔的24倍 (表3) 。这说明经过高压水射流割缝, 煤层透气性系数显著增加, 在同样的抽采条件下, 抽采效果优于普通孔。
注:据矿方资料, 煤层瓦斯含量系数α=23.5 m3/ (m3·MPa0.5) , 钻孔半径r=0.047 m, 测试时间t=40 d, p0=1.74 MPa, p1=0.103 MPa。
4 结论
(1) 阐述了通过水射流割缝进行煤层内部卸压增透的基本原理、中深孔穿层割缝卸压增透设备系统及现场工业性试验的设计和效果分析, 可有效指导高压射流割缝卸压增透的现场应用, 实现瓦斯抽采的高效可控。
(2) 现场试验表明, 实施割缝卸压增透后, 煤体直接扰动半径提高20倍左右, 直接扰动体积提高100倍左右, 煤体暴露表面积增大5倍左右;钻孔的起始流量提高2.14倍, 抽采浓度提高2.67倍;在40d的抽采周期内, 割缝孔的抽采总量是普通孔的2.33倍, 同等抽采条件下, 抽采达标时间缩短了57.1%;抽采有效影响半径提高1.6~2.0倍, 煤层的透气性系数提高24倍。
(3) 孔内割缝卸压增透措施具有扩大抽采单孔有效影响范围、减少措施孔数目、减少工程量、提高防治瓦斯灾害工程效率等优点, 对于提高单一低渗煤层的瓦斯抽采效果、缩短煤层瓦斯抽采达标时间有显著作用。
摘要：针对单一低渗透煤储层井下瓦斯抽采效果差的问题, 提出采用高压射流割缝卸压增透技术提高煤层透气性, 扩大抽采单孔有效影响范围, 提高瓦斯抽采效果, 缩短煤层瓦斯抽采达标时间。以焦作九里山矿15采区15071底板抽采巷为试验点进行泄压增透试验, 试验结果表明:实施割缝卸压增透后, 抽采有效影响半径提高1.62.0倍, 煤层的透气性系数提高24倍, 抽采浓度提高2.67倍。在40 d的抽采周期内, 割缝孔的抽采总量是普通孔的2.33倍;在相同的抽采条件下, 抽采达标时间缩短了57.1%。
关键词：射流割缝,卸压增透,低透煤层,瓦斯抽采
参考文献
[1]林柏泉.矿井瓦斯防治理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2010.
[2]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2001.
[3]袁亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2004.
[4]Wang Liang, Cheng Yuanping, Li Fengrong, et al.Fracture evolution and pressure relief gas drainage from distant protected coal seams under an extremely thick key stratum.Journal of Coal Science&Engineering, 2008 (18) :182-186.
[5]于不凡, 王佑安.矿井瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京:煤炭工业出版社, 2000.
[6]段康廉, 冯增朝.低渗透煤层钻孔与水力割缝瓦斯排放的实验研究[J].煤炭学报, 2002, 27 (1) :50-53.
[7]赵岚.水力割缝提高低渗透煤层渗透性实验研究[J].太原理工大学学报, 2001, 32 (2) :109-111.
[8]沈忠厚.水射流理论与技术[M].东营:中国石油大学出版社, 1998.
[9]谢友友, 张连军, 林柏泉, 等.穿层深孔控制爆破有效影响半径的确定[J].煤矿安全, 2008 (11) :11-14.
[10]卫修君, 林柏泉.煤岩瓦斯动力灾害发生机理及综合治理技术[M].北京:科学出版社, 2008.
高压水射流割缝技术 篇5
1 水射流技术和高压水射流技术
中国古代就有“天下莫柔于水, 驰骋天下之至坚“的名句及“水滴石穿“的成语, 这些都包含有以柔克刚的观念。水射流切割技术和高压水射流切割技术就是这一观念的延伸和实践。
水射流切割技术, 顾名思义就是利用水来切割某些物质的技术。这一技术的实现, 通常情况下要靠一些装置或设备来完成, 主要设备有发动机、增压器或者水泵、喷嘴、开关等。通过这几个装置之间动能的相互转化, 最终使水具有强大冲击力, 之后便可对特定物质进行切割。
高压水射流切割技术, 就是利用高压发生装置及恒压系统, 来进行水射流切割, 这种技术一般要增压器的增压能力要相当强大, 设备功率相对也就大, 同时为提高切割质量, 在高压水中添加了固体磨料, 达到了提高切割速度和质量的目的。
2 高压水射流切割技术的发展概况
采矿业是高压水射流切割技术的源头。在19世纪中叶, 高压水射流技术第一次被北美人用来开采质地较为疏松的矿床。而中国应用高压水射流切割技术来开采矿石, 要追溯到20世纪50年代, 当时前苏联和中国的专家们利用水射流的冲击和输送作用, 进行矿石的开发, 这些技术都大大提高了采矿业的工作效率。然而, 这一时期的水射流技术仍旧属于低压水射流。
20世纪60-70年代, 人们渐渐开始利用增压装置, 如增压器、高压泵、高压管件等, 来完成水射流技术由低压向高压的过渡。当然这一时期的水射流技术还是普遍在采矿业中使用。
到了70-80年代, 高压水射流技术才逐渐向清洗、切割等行业发展。随着人们研究的逐渐深入和科技的不断发展, 20世纪80-90年代, 水射流技术已经发展成为一种产品, 并且有各种方式, 主要包括磨料射流、自激振动射流、空化射流等。水射流技术成为一种可以面向市场直接销售的商品。
3 高压水射流切割技术的工作原理
高压水射流切割技术很大程度上是靠各种物理动能的相互作用和相互转化来完成。所以就应该有相应的设备, 这些设备主要有:发动机、转能设备、开关、喷嘴等。
那么这些设备是如何运作实现切割的呢?这就要说道高压水射流切割技术的工作原理:
首先, 要有一个发动机, 这个发动机可以是电机、内燃机, 或者是油料机, 通过一些高压泵或增压器等转能设备 (注:当压力小于70MP时, 用多级离心泵或者柱塞泵都是可以的;当压力大于70MP时, 就要用增压器或者动压式水炮。) , 将发动机的机械能转变成为压力能。
第二, 利用带有开关的喷嘴, 喷射出高速射流, 将压力能转化为动能。
最后, 材料被高压水射流冲击切割后, 动能直接转变为作用于被切割的材料表面的压力能。
实际上, 高压水射流切割技术就是利用水的射流 (0.80~1.50mm) , 通过压力发生装置, 使得水聚集, 通常情况下, 喷射速度可以达到600~800m/s, 已经大于2马赫。通过这些数据, 我们能够想象到当水经过加工后, 喷射出来时的冲击力完全可以对任何材料完成切割。
4 高压水射流切割技术的应用
4.1 高压水射流技术在机械制造业方面的应用。
随着高压水射流切割系统的不断更新发展, 经过增压装置加工后, 从喷嘴处射出的水速度相当快, 甚至可以达到音速的3倍。这种高速的冲击力完全可以切割各种各样的材料, 比如大理石、陶瓷、还有一些质地较好的金属等硬质材料;泡沫、塑料、橡胶等软质材料, 还有玻璃等脆质材料。经过高压水射流切割后, 切口处的材料结构组织性能不会改变。同时, 由于高压水射流是一种具备“冷、软“等加工性能的技术, 所以在切割的过程中, 没有传统切割机的热能高, 故而被切割的材料也不会发生热变形。在机械制造业中, 经常需要切割各种不同质地的材料, 并且因为行业本身对于切割标准的高要求, 高压水射流切割技术在机械制造业被广泛使用。
4.2 高压水射流切割技术在医学领域的应用。
当前在医学领域, 高压水射流技术应用还不太普遍, 但已经有了一定成果。在这些成果中, 最突出的应该是临床医学中的水射流手术刀和水射流无针注射器。这两项技术, 能够提高医院的工作效率。比如在注射预防针类的药水时, 水射流注射器在一个小时内, 就可以完成500多人的注射工作。并且不需要更换针头, 大大节省了患者和医生的时间。同时, 这种注射器与注射者不会有任何接触, 所以更加安全卫生, 降低了疾病传染的可能性。
4.3 高压水射流切割技术在军事和消防领域的应用。
军事和消防是两个危险性高、精确度要求也高的行业。高压水射流切割技术是一种独特的冷切割技术, 它通常被用来切割高温、易燃易爆、地雷、核武等不需要产生火花的地方。通过高压水射流的切割, 爆炸物的危险性会被解除的同时, 也能够降低操作人员的伤亡概率。
4.4 高压水射流切割技术在石油化工工业领域的运用。
石油化工工业危险系数也极高, 操作不当或者设备质量和技术不高的情况下, 往往会产生爆炸或者泄露, 严重威胁人的生命。在开采石油的过程中, 经常会遇到不同质地的岩石或海底礁石, 运用高压水射流切割技术, 可以进行高难度石油开采, 并且安全有效。化工工业就更需要高压水射流切割技术了, 各种化学物质在这里交织, 管道错综复杂, 而水几乎可以溶解各种化学物质, 所以利用高压水射流切割技术会更安全。
4.5 高压水射流切割技术在航空航天方面的应用。
航空航天业要求精准、无误差, 所以在选择切割技术时, 这是这个行业首先考虑的问题。航天材料经过高压水射流切割技术不会结构组织不会变。更不会发生热变化。我国航天航空部门, 曾经多次从技术先进的美国引进高质量的高压水射流切割系统, 主要用于切割航天玻璃、碳纤维、钛合金以及各种复合和特种材料。切割后, 可以保证质量, 同时也很经济。
结语
高压水射流切割技术在我国还是一项新的技术, 由于相关切割核心理论问题及耐超高压部件制造还未完全解决, 所以中国很多行业所用的高压水射流切割系统多是从外国引进的。所以相对于技术已经相对成熟的美国、日本等发达国家, 我们在高压水射流切割技术的发展和创新上, 还有很长的路要走。
摘要：本文主要介绍了高压水射流切割技术的发展概况、工作原理和在一些行业的应用, 同时期待中国的高压水射流切割技术能够进一步发展, 最终能够实现自主研发。
关键词：高压水射流切割技术,发展概况,工作原理,在行业的应用
参考文献
[1]杨志, 陈世明, 张毅君, 李满.高压水射流技术的发展及应用[J].机械管理开发, 2009, 24 (5) , 87-89.
[2]刘忠伟.高压水射流技术综述[J].湖南冶金职业技术学院学报, 2005, 5 (3) , 330-333.
高压水射流割缝技术 篇6
随着现代社会对清洗行业提出的效率、洁净率及环保要求的不断提高, 高压水射流清洗技术的普及应用成为工业清洗的必然趋势。
一、高压水射流清洗技术的特点
美国、德国、日本、英国、法国、澳大利亚等发达国家利用高压水射流进行清洗已占到工业清洗80%~90%的市场份额。作为一种先进的物理清洗方法, 高压水射流清洗具有多方面的优势:
(1) 无环境污染。高压水射流以自来水或工业用水为介质, 无味、无色、无臭、无毒, 对环境没有任何污染, 属于环保型清洗方法。
(2) 不腐蚀金属。水射流中没有任何酸、碱药剂等添加剂, 既不腐蚀金属, 又不损坏管路及设备, 延长了设备的使用寿命。
(3) 应用范围广泛。凡是水射流直接射到的部位, 不论是管道、容器罐体的内外壁、建筑物的表面, 还是坚硬结垢物、致密堵塞物, 皆可迅即被击碎剥落, 脱离粘结母体, 清洗干净。对设备、设施大小、形状、材质及垢物种类均无特殊要求, 故其应用范围极其广泛。
(4) 打击效率高、清洗成本低。以廉价的水为介质, 对任何结垢物及堵塞物, 只要水射流的压力、流量选择合适, 喷射枪具选型合理, 就能进行高速有效清洗, 获得低成本、高效率的双重效果。
(5) 节水又节能。水射流清洗属于高压细射流清洗。喷嘴喷头的孔径只有0.5~2.5mm, 射流直径也以毫米计算, 每小时只消耗3~5m3的水, 用过的水还可以回收。故高压水射流清洗机属节水节能设备。
由于上述高压水射流清洗的特性, 高压水射流清洗在国内外, 无论是在工矿企业还是在市政工程, 无论在服务行业还是在机关单位, 都能获得广泛的应用。
二、高压水射流清洗技术在发达国家中的发展状况
高压水射流清洗技术在发达国家中广泛应用, 应用最普遍的是美国、德国和日本, 他们的热交换器、工业锅炉、大型容器和罐体、物料输送管道、设备表面等清洗作业几乎全部使用高压水射流技术。在很多特种清洗作业中, 诸如轮船船体的除焦除藻、飞机跑道的除漆除胶、核电反应堆的除垢除污、特殊钢厂的铸件清砂、轧件除磷等, 也多采用高压水射流技术。
经过多年的发展和进步, 这些国家的高压水射流清洗工艺水平都比较高。借助很多先进的周边设备, 使高压水射流清洗作业中的喷射枪具的旋转和推进实现了机械化和自动化。他们采用的高压柱塞水泵, 单级压缩可达到300MPa, 即使不加磨料也可实现设备除鳞除锈、除氧化皮的要求。重要的清洗参数, 如清洗机的压力、流量和功率, 也可根据清洗对象的要求随时调节至最合适的状态。并且高压水泵的质量比较高、易损件的寿命也比较长, 在国际上受到普遍欢迎。
高压水射流清洗中配套使用的高压胶管, 最小外径可达到6~8mm, 通常可承压100~300MPa, 有的甚至可达到300~600MPa。
他们使用的喷嘴、喷头和喷枪就有数百种之多, 分别编辑成册, 可根据清洗对象优化选用, 以便获得最佳的使用效果。这些喷射枪具都由专业厂家生产、供应。为了提高清净率, 多用二维或三维旋转的喷头、喷嘴, 喷嘴、喷头的推进形式有喷射反力自进、液压旋转推进及外力牵引推进等。另外, 还有各式各样的空间辅助变位机构、清洗罐体的多维空间变幅机构、清洗排污管道的纵向牵引机构等。当前, 在美国最先进的送进机构是爬壁机器人, 它可以在大型金属构件及建筑物表面纵向、横向自由地爬移, 以便顺利和灵活地在这些平面上除漆、除锈和清除各种结合物及粘结物。
三、高压水射流清洗技术在我国工业中的应用现状
在我国, 使用高压水射流技术做工业清洗的单位也有很多。我国高压水射流柱塞泵大型生产企业有十几家, 分布在天津、辽宁、江苏、四川和陕西等地。高压水射流清洗机的生产厂家多为大型柱塞泵的制造厂家。
目前在我国正常服役的大型高压水射流清洗机有上万台, 每年投入生产使用的也有上千台。一级压缩最高压力可达280MPa, 高压水流量由每分钟几十升到几百升不等。我国高压水泵厂的生产潜力很大, 随着清洗机用户的增加, 他们可以提供大量的水泵。与之配套的柴油机、电机、配电柜等设备, 也都能满足生产与使用要求。
清洗机主要用户分布在石油、化工、发电、炼油、动力、酿造、造纸、橡胶、冶金、制药及市政工程等行业或部门。若我国大中城市及大中型企业都使用大型高压水射流清洗机, 需要量将成倍增加, 因此, 其在我国清洗机制造及使用潜在市场都很巨大。
我国大型高压水射流清洗机重量多在2~3t, 主要用来清洗城市上下水管道、工矿企业排污及物料运输管道、各类热交换器、工业锅炉、大型容器和罐体、大型设备表面和建筑物外墙等。高压水射流工业清洗在我国已初步形成产业, 并且每年大约以10%~20%的速度增长。
四、我国高压水射流清洗存在的问题
高压水射流清洗机在我国应用已有二、三十年的历史, 在很多大中型企业中起着骨干清洗作用。但目前毕竟高压水射流清洗技术还处于发展阶段, 还不够成熟, 存在下列一些问题。
1. 整机设计问题
整机由动力机械 (柴油、电机) 、高压泵组、水箱、配电柜、高压胶管、电缆、低压水管、脚控阀、机械室、底盘行走机构、喷枪喷头等部件所组成。就整机而言, 目前尚存在以下几个问题。
(1) 整机配置不够完善。整机供给用户应当接水接电即可工作, 但很多清洗机厂家提供的部件种类不全、数量不足, 随带枪具不能满足用户多种用途的需要。
(2) 系统参数缺乏优化设计。系统参数优化的目的是在额定压力、额定流量、额定功率的前提下, 获得最大打击效果和清洗效率。这就要求清洗机在额定状态下工作。但在实际上, 由于高压胶管规格使用不当, 清洗结垢物对象与清洗机主要参数不符合, 喷嘴、喷头的孔径、孔向与主参数不一致等情况, 整机工作经常事倍功半, 甚至在很小的功率下作业, 使整机功能白白浪费。
2. 高压泵质量问题
高压泵是高压水射流的发生装置, 是清洁机整机的作业核心。工作时高压泵作业正常, 则整机工作基本正常。但在实际工作中经常出现高压泵部件的质量问题, 如运动件耐磨性差、高压胶管非正常破损等问题, 以及喷射枪具性能问题、寿命问题、种类欠缺问题等, 都会影响清洁机的工作效能。
3. 操作维修人员作业资格问题
高压水射流设备是高风险作业装置。高压水射流象高速子弹一样, 能击穿坚硬结垢物和堵塞物, 也能击穿和截断人体和设备, 作业人员应当像防范子弹一样防范水弹, 避免高压水射流伤人和损坏设备。因此, 作业人员必需经过正规、严格的培训并在完全合格之后再持证上岗。但在目前, 我国上万台清洗机的操作者和维护者大部分是无证上岗, 存在着严重的安全隐患, 这已成为相关企业和管理机构必须解决的安全问题。
五、我国高压水射流工业清洗的发展前景
工业厂房的维护、设备的运行与维修都离不开工业清洗。采用高压水射流的方法进行清洗, 目前在国际和国内都处于主导地位, 清洗所占比重约为整体清洗的80%~90%。因此, 高压水射流技术的进一步研究、高压水射流理论深入发展都显得十分重要。
高压水射流割缝技术 篇7
1 高压水射流技术系统构成
高压水射流是运用液体增压原理, 通过特定的装置 (增压口或高压泵) , 将动力源 (电动机) 的机械能转换成压力能, 具有巨大压力能的水在通过小孔喷嘴后, 再将压力能转换成动能, 从而形成高速射流。因而高压水射流又常被称为高速水射流。
高压水射流系统如图1所示, 主要由增压系统、供水系统、增压恒压系统、喷嘴管路系统、数控工作台系统、集水系统及水循环处理系统等构成。油压系统低压油 (10~30MPa) 推动大活塞往复来回移动, 其方向由换向阀自动控制。供水系统先对水进行净化处理, 并加入防锈添加剂, 然后由供水泵抽取, 低压水从单向阀进入高压缸。增压恒压系统包括增压器和蓄能器两部分, 增压器获得高压原理如图2所示, 即利用大活塞与小活塞面积之差来实现, 理论上:S大活塞·P进油=S小活塞·P出水, P出水= (S大活塞·P进油) /S小活塞, 增压比即大活塞与小活塞面积之比, 通常为10:1~25:1, 由此, 增压器输出高压水压力可达100MPa-750MPa。活塞到达行程终端时, 换向阀自动使油路改变方向 (图中虚线箭头所示) , 进而推动大活塞反向行进, 此时高压水在另端输出。如果将此高压水直接送到喷嘴, 那么喷嘴出来的射流压力将会是脉动的, 而且这对管路系统产生周期性振荡, 为获得稳定的高压水射流, 常在增压器和喷嘴回路之间设置一个蓄能器 (即恒压装置) , 消除水压脉动, 达到恒压之目的, 控制脉动量一般在5%之内。
2 高压水射流技术加工机理
高压水射流加工技术作为一种新型的加工手段, 它既不同于传统机械加工的车、铣、刨、磨、镗需要有专用的加工刀具, 也不同于铸、锻成型工艺需要模具、胎具等。它是以水珠或者磨料通过加压后获得巨大的能量后, 从喷嘴中高速喷射出来的高能量水流束作为“刀具”来加工的。
高压水射流本身具有较高的刚性, 在与被加工对象碰撞时, 产生极高的冲击动压和形成涡流, 从微观上看相对于射流平均速度存在着超高速区和低速区 (有时可能为负值) , 因而高压水射流表面上虽为圆柱模型, 而内部实际上存在刚性高和刚性低的部分, 刚性高的部分产生的冲击动压使传播时间也减少, 增大了冲击强度, 宏观上看起楔劈作用, 而低刚度部分相对于高刚度部分形成了柔性空间, 起吸屑、排屑作用, 这两者的结合好像使得其切割材料时犹如一把轴向“锯刀”加工。
高压水射流技术破坏材料的过程是一个动态断裂过程, 对脆性材料主要是以裂纹破坏及扩散为主;而对塑性材料是以符合最大的拉应力瞬时断裂准则, 即一旦材料中某点的法向拉应力达到或超过某一临界值时, 该点即发生断裂。根据弹性、塑性力学, 动态断裂强度与静态断裂强度相比要高出一个数量级左右, 主要是因为动态应力作用时间短, 材料中裂纹来不及发展, 因而这个动态断裂不仅与应力有关, 还与拉伸应力的作用时间相关。
3 高压水射流技术在舰船修理所中的应用
(1) 对船用钢板进行除锈作业。锈层实质上是附着于金属本体上的氧化层, 该氧化层对本体无任何保护作用, 其厚度还会随时间不断增厚。外层组织松散, 内层则与本体结合紧密。除锈目的是克服锈层与本体的附着力, 使其脱离。
船舶除锈一直是修船业的难题, 无论人工铲锤, 还是80年代国外引进的空气喷砂、喷丸除锈工艺, 都改变不了严重粉尘污染、噪音、劳动强度大、成本和工效的矛盾等。特别是喷砂除锈的粉尘污染和噪音是最致命的缺点, 使用Si O2石英砂磨粉易造成矽肺病, 使用铜矿渣时的污染问题也没有得到解决。高压水射流技术是近年发展起来的除锈技术, 由于其环保特性, 彻底改变了干喷砂的粉尘污染的除锈技术, 由于其环保特性, 彻底改变了干喷砂的粉尘污染问题, 而且除锈效率提高了2~3倍, 所以在国内外得到越来越广泛的应用研究;高压水射流除锈可分为两类:纯高压水和磨料射流。
纯高压水射流除锈的机理是将普通自来水通过高压泵加压到数百乃至数千大气压力, 然后通过特殊的喷嘴, 以极高的速度 (200~500m/s) 喷出一股能量高度集中的水流, 这一股一股的小水流如同小子弹一样具有巨大的打击能量, 它能够进行钢板切割、铸件清砂、金属除锈, 除去表面的盐、碱、垢等物。
磨料射流除锈的机理是在高压水加入磨料后, 除锈能力大约可提高7~10倍, 所以只需30~50MPa即可达到除锈目的, 结合磨料和高压水流进行除锈即为高压水磨料射流除锈。除锈后, 细磨料与物面碰撞为粉末, 便于随水流排放而不堆积。喷头生水楔, 楔入微隙, 扩展锈层裂纹。由于这种正向打击和切向楔击的作用, 加之水射流的连续性和集束性, 达到了传统方法难以实现的除锈质量。
(2) 对船用钢板进行切割作业。高压水射流切割是一种非传统的冷切割方法, 是利用高速水流对工件的冲击作用来去除材料的, 俗称水刀。采用水或带有添加剂的水, 以500~900m/s的高速冲击工件进行加工或切割。水经水泵后通过增压器增压, 储液蓄能器使脉动的液流平稳。水从孔径为0.1~0.5mm的喷嘴喷出, 直接压射在工件加工部位上。加工深度取决于液压喷射的速度、压力以及压射距离。被水流冲刷下来的“切屑”随着液流排出。与传统的切割工艺相比, 高压水射流切割具有如下优点:切割时几乎不产生热量因而不会造成金属变质;切缝窄且切割表面光滑;切割用水及磨料来源充足;无尘埃、无公害等。更重要的是此种加工方法很适合与计算机控制、机械手结合起来, 能满足特殊的或复杂的加工要求, 实现钛合金、复合材料等的高效切割。
(3) 对船体外壳垢层进行清洗作业。利用高压水射流技术对船体外壳进行清洗是一种高效高质量的快捷手段。舰船经过常年的航行后, 在其吃水线以下的船体外壳上会形成一层厚厚的垢层。这些垢层由藻类、贝类附着物等构成, 紧密而且坚硬。同时也不可避免地会产生大面积锈蚀的情况。因此, 对舰船进行大修时, 一般都要求将船体上的垢层、铁锈及旧的涂层去除, 经过修补后再涂上新的油漆, 这样才能保证舰船的正常航行和延长其使用寿命。目前, 修理所对船体外壳上涂层、垢层的清除, 还是手执锤子、铲子进行敲打和铲刮, 维修工期长, 劳动强度大。利用高压水射流技术对船体外壳垢层进行清洗作业, 在国外船舶维修行业广泛推广和采用。近几年来, 随着我国高压水射流技术的发展, 该项技术已广泛应用于地方修船行业。利用水射流的强大冲击力、冲蚀力和剥离能力, 能快速地将结垢、铁锈和油漆等去除干净, 为后续的修补焊接工作打下良好的基础。
4 结束语
高压水射流技术是一种符合当今可持续发展潮流的绿色加工技术。它是近20年来迅速发展起来的一门新技术, 其应用十分广泛, 越来越被人们所重视, 今后正向高效、多功能、智能化、高精度化、环保化方向发展。
参考文献
[1]华林, 王华昌.激光切割和水切割技术.机械制造, 1996 (2) .
[2]刘忠伟, 邓英剑.水喷射加工技术及其在机械领域中的应用.制造技术与机床, 2004 (2) .