煤矿硬岩钻进高压水锤仿真研究

朱利民

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市九龙坡区， 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆市九龙坡区，400039)



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煤矿硬岩钻进高压水锤仿真研究

朱利民1，2

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市九龙坡区， 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆市九龙坡区，400039)

介绍了高压水锤冲击机构的工作原理，对高压水锤冲击机构进行了运动学仿真，得出了冲击活塞及配流阀相互作用的运动过程，对高压水锤内部腔体的高压水流动特性进行了流体仿真，得出了高压水锤内部腔体高压水流场分布情况，研究结果为高压水锤冲击机构参数优化设计和冲击特性研究提供了重要的理论依据。

高压水锤 冲击机构 仿真分析 硬岩钻进

目前，国内对水压传动技术和水压凿岩机的研究已有初步进展，但对煤矿井下硬岩高压水锤的设计研究和仿真研究还未见展开。

高压水锤可实现冲击+回转钻进工艺，能够有效钻进超硬岩层和复杂地层，与传统的回转钻进工艺相比，具有钻进效率高、不产生粉尘污染以及钻孔直线度高等优点。由于采用高压水驱动，动力介质与冲洗介质均为水，不仅可以避免煤矿巷道内粉尘污染，而且可以有效解决煤矿井下传统回转或气动冲击-回转钻进工艺产生的粉尘污染问题，显著改善煤矿巷道内的工作环境，减少钻孔事故，是当前一种现实可行的高效优质的钻进工艺技术。

1 高压水锤冲击机构工作原理

高压水锤总体结构如图1所示。

为了分析方便，将其流道简化为液压管线路的方式，以活塞撞击钻头尾端的时刻为起始点，将活塞分加速回程、回程制动和加速冲程3种运动状态。高压水锤冲击机构工作原理如图2所示。

1-冲击钻头；2-花键套；3-卡瓦；4-下支撑环；5-中间支撑环；6-冲击活塞；7-高压水锤壳体；8-配流阀块；9-内支撑；10-阀套；11-阀芯；12-过滤器；13-上接头图1 高压水锤总体结构

1-冲击活塞；2-配流阀块；3-阀套；4-阀芯；5-高压水锤壳体图2 高压水锤冲击机构工作原理

(1)加速回程工作状态。高压水由钻杆到达常压腔前腔B，此时，配流阀在高压水作用于左端F1处而处于右位。活塞后腔A通过配流阀阀口F3接通低压回水，此时，活塞为加速回程运动状态。

(2)回程制动工作状态。当活塞前台肩越过信号孔k1时，高压水经k1进入到阀芯右端面F2，因作用面积F2>F1，阀芯处于左位。高压水经阀口F1和阀口F3到达高压腔A，由于作用面积A>B，活塞进入回程制动运动状态，直到停止。

(3)加速冲程运动状态。活塞经回程制动阶段停止后，开始向左做冲程加速运动，当信号孔k2和k3同时打开时，配流阀右端F2经k2和k3接通低压回水，高压水作用于阀芯左端面F1，阀芯迅速换到右位，冲程阶段结束。此时，活塞正好撞击钻头，输出凿岩能量，而冲击机构再次处于起始点状态，活塞进入到下一次循环的回程动作。

2 高压水锤冲击机构运动学仿真分析

2.1 高压水锤冲击机构建模

为了研究方便，对次要因素做如下假设：一是水的粘度不随压力的改变而改变；二是高压水锤在工作的过程中水温度基本保持不变。本文利用AMESim中的HCD库对高压水锤进行了建模，高压水锤冲击机构AMESim仿真模型如图3所示，仿真模型各个元件将根据实际情况的元件参数进行设置，冲击机构主要仿真参数设计见表1。

1-电机；2-水泵；3-进水管；4-缸体；5-配流阀；6-溢流阀图3 高压水锤冲击机构AMESim仿真模型

名称数值名称数值活塞质量7.8kg后腔内径36mm活塞外径50mm中间腔内径47mm配流阀阀芯阀套间隙0.035mm前腔内径45.1mm活塞与配流阀块间隙0.05mm配流阀限制行程11mm高压腔与中间腔密封长度40mm配流阀阀芯外径32mm低压腔与中间腔密封长度40mm泄露模块间隙0.04mm

2.2 运动仿真结果分析

设置水流量为280 L/min，时间为0.1 s，步长为0.002 s，得到的活塞位移-时间曲线、活塞速度-时间曲线、阀芯位移-时间曲和阀芯速度-时间曲线分别如图4、图5、图6和图7所示。活塞主要参数理论计算结果与仿真结果对比见表2。

图4 活塞位移-时间曲线

图5 活塞速度-时间曲线

图6 阀芯位移-时间曲线

图7 阀芯速度-时间曲线

冲击速/m·s-1冲击频率/Hz冲击能量/J行程/mm理论值845.525036仿真值7.9345.45245.335.9

将冲击活塞位移曲线和配流阀阀芯位移曲线进行比对，活塞与配流阀阀芯曲线对比关系如图8所示。

从图8中可以清楚地看出，冲击活塞和配流阀阀芯在一个周期内所经历的各个运动阶段，每个阶段冲击活塞与配流阀之间的切换及其对应关系在图中均能找到所对应的转换点，配流阀阀芯的左右位的切换决定了活塞所处的运动阶段，其变化规律符合高压高压水锤的凿岩机理。

图8 活塞与配流阀阀芯曲线对比关系

3 冲击机构流场仿真分析

3.1 建立CFD模型

高压水通过配流块内部的流道进入活塞各腔，配流块连接前腔、中腔、后腔的流道以及配流块内壁和活塞外壁一起构成整个流场，高压水锤的工作泵压为15 MPa，冲程所需最大流量为278 L/min，回程所需最大流量为121 L/min，前腔、中腔进出口横截面积为S1=S2=π×0.0052×4 m2,后腔进出口横截面积为S3=π×0.0052×8 m2，可得冲程时前腔、后腔进出口最大流速为4.9 m/s，回程时前腔进口最大流速为6.4 m/s。建立的计算域几何模型如图9所示。

1-配流块内壁；2-冲击活塞外壁；3-前腔进口；4-中腔回水口；5-后腔进出口图9 计算域几何模型

3.2 仿真结果分析

仿真过程分3个运动阶段进行，按表3设置边界条件，出口压力设为0.2 MPa，进口速度都为4 m/s，通过瞬态仿真计算，得出各阶段的流场状态，回程静压云图、回程粒子迹线图、回程各腔速度分布图、冲程静压云图和冲程粒子迹线图、冲程各腔速度分布图分别如图10、图11、图12、图13、图14和图15所示。

图10 回程静压云图

图11 回程粒子迹线图

图12 回程各腔速度分布图

图13 冲程静压云图

图14 冲程粒子迹线图

图15 冲程各腔速度分布图

4 结论

本文建立了高压水锤冲击机构运动仿真模型，通过运动学仿真，得出了冲击活塞及配流阀阀芯位移、速度特性曲线，理论值与仿真值接近，验证了仿真模型的正确性；得出了冲击活塞与配流阀阀芯在加速回程、回程制动、加速冲程等各个运动阶段中相互作用的运动规律，每个运动阶段的转换都能找到对应的转换点，其变化规律符合高压高压水锤的凿岩机理；建立了冲击机构的CFD流体仿真模型，得出了各腔体的压力分布、速度分布图，得出各出口和各腔的平均速度，为高压水锤冲击特性研究提供了重要依据。

根据本文研究结果优化制造的高压水锤已经应用于河南的郑煤集团告成煤矿和安徽国投新集集团新集二矿，安装于煤矿坑道钻机上进行岩层穿孔作业，钻孔速度达到1.2 m/min，较之前孔底马达穿岩层钻进效率提高400%以上，极大地提高了硬岩钻孔效率，应用前景广阔。

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(责任编辑 路 强)

Simulation research on high-pressure water hammer for mine hard rock drilling

Zhu Limin1，2

(1. ChinaCoal Technology Engineering Group Chongqing Research institute, Jiulongpo, Chongqing 400039, China2. State Key Laboratory of the Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Jiulongpo, Chongqing 400039, China)

The author introduced the operating principle of impact mechanism of high-pressure water hammer, carried out kinematics simulation on the impact mechanism, achieved the motor process of interaction of impact piston and flat valve; conducted fluid simulation on high-pressure water flow characteristics in internal cavity of the water hammer, and obtained the high-pressure water flow field distribution. The results provided an important theoretical basis for the parameter optimization design and impact characteristics research of impact mechanism of high-pressure water hammer.

high-pressure water hammer, impact mechanism, simulation analysis, hard rock drilling

中煤科工集团重庆研究院有限公司青年创新基金(2013QNJJ17)

朱利民. 煤矿硬岩钻进高压水锤仿真研究[J].中国煤炭，2017，43(7)：94-97. Zhu Limin. Simulation research on high-pressure water hammer for mine hard rock drilling[J].China Coal，2017，43(7)：94-97.

TD41

A

朱利民(1983-)，男，山东临沂人，助理研究员，硕士，主要从事煤机及相关工程机械领域的研究工作。