水射流冲击破碎的数值分析

论文摘要

水射流技术是近年迅速发展起来的一种新型技术,它具有独特的优点,其系统结构简单,对作业环境要求低,目前可应用于清洗、剥层、除垢、切割、钻孔、破碎、制粉、除磷、铸件清砂、喷雾、浆体输送、注水、注浆和消防等各种用途。因而有关水射流技术的研究和应用受到了极大的重视。利用水射流的冲击破碎技术可以对煤岩进行钻孔破碎,这样可以防止矿井内的冲击地压,也是进行煤层瓦斯抽放和减少工作面瓦斯超限的方法,通过研究所得的理论可以为瓦斯治理以及开挖采煤提供重要的学术依据;另一方面可用于对受损害的路面进行维护修理,得出的结论,还可用于指导桥梁、涵洞及建筑物的维修,可为旧混凝土工程结构变面翻新加固提供一种崭新的施工方法。那么深入研究水射流冲击破碎的力学机理和射流参数对冲击效果的影响规律就显得十分重要。本文运用数值模拟方法,对在水射流冲击下,混凝土和煤岩的破坏机理和水射流参数对破碎效果的影响进行了深入系统的研究,得到了一些有益的研究成果:①对水射流冲击混凝土和煤岩时的应力波效应进行了分析研究,并对水射流冲击造成的孔状破碎区的形成特点进行了讨论分析。这两种介质在受到水射流的冲击时,其内部的应力分布都具有显著的局部效应,在射流参数相同的条件下,煤岩内的应力波局部性更加集中,衰减的更快。②研究了水射流冲击煤岩和混凝土初期时,介质破碎区域的初始形成特点。孔状破碎区是从射流接触区域的边缘部分开始向内向外发展,这是由水射流的冲击特性所决定的。③分析了水射流钻孔煤岩时,水射流参数对钻孔效果的影响规律,孔深随加压压力的增大而增大,喷嘴半径对孔径的影响较为显著,并清楚显示了钻孔过程的形成过程。④同时也对水射流冲击破碎混凝土进行了数值分析,详细分析了破碎区域的形成过程,从混凝土损伤破碎区域的形成过程和内部应力演变图两个方面,表明了水射流冲击破碎混凝土具有“快慢交替”的特点,而不是匀速的;并且还得到了加压压力对冲击效果的影响规律。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 高压水射流技术的发展现状
• 1.1.1 高压水射流的特性及分类
• 1.1.2 国内外的研究现状及应用领域
• 1.1.3 高压水射流在冲击破碎方面的应用研究
• 1.2 水射流破岩机理分析
• 1.3 当前研究高压水射流冲击破碎存在的主要问题
• 1.4 课题研究的目的、意义与内容
• 2 水射流冲击的应力波效应
• 2.1 应力波的数值分析方法
• 2.2 水射流冲击的应力波分析
• 2.2.1 水射流和岩石的耦合作用
• 2.2.2 建立模型
• 2.2.3 模型验证
• 2.2.4 应力波效应的分析讨论
• 2.3 本章小结
• 3 水射流冲击钻孔煤岩
• 3.1 引言
• 3.2 模型建立
• 3.2.1 几何模型
• 3.2.2 材料参数
• 3.3 数值仿真
• 3.4 本章小结
• 4 水射流冲击破碎混凝土
• 4.1 引言
• 4.2 模型建立
• 4.2.1 几何模型
• 4.2.2 材料参数
• 4.3 数值仿真
• 4.4 本章小结
• 5 结论及展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录