煤巖壁鑽孔鑽具鑽削性能實驗臺的製作方法
2023-12-10 23:11:22
本發明涉及一種煤巖壁鑽孔鑽具鑽削性能實驗臺，具體涉及一種可以根據井下煤巖壁在不同埋深受到的實際地應力的情況，對煤巖壁施加相應的圍壓的煤巖壁鑽孔鑽具鑽削性能實驗臺。
背景技術：
煤炭是我國的重要基礎能源，各種工業部門每年都要消耗大量的煤炭。儘管煤炭消費比重在未來幾年內會有所下降，但煤炭消費在一次能源消費中仍然佔據著巨大的比例，依然是我國不可或缺的基礎能源之一。煤炭工業在保障我國經濟快速增長的同時，煤炭的開採條件也在不斷惡化，突出表現為開採深度的增加、瓦斯壓力和瓦斯含量的增大、地質構造條件複雜，瓦斯災害、特別是煤與瓦斯突出災害日益嚴重，這使我國成為全世界上煤與瓦斯突出災害最為嚴重的國家，瓦斯突出災害的發生次數和突出強度都排在世界之首。瓦斯抽採是降低開採過程中的瓦斯湧出量、防止瓦斯超限和積聚，預防瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出事故的重要措施。瓦斯抽採既是一項保障礦工安全的生命工程，也是一項重要的資源工程，更是根治瓦斯災害的治本之策。鑽具在煤巖壁鑽進過程中的鑽削扭矩和鑽削進給力的變化直接影響到鑽具對煤巖壁的鑽削性能和鑽進效率。因此，根據井下煤巖壁在不同埋深受到的實際地應力的情況，對煤巖壁施加相應的圍壓，模擬鑽具鑽削煤巖壁的過程，測試煤巖壁鑽孔鑽具的鑽削性能，對煤巖壁鑽孔鑽具選型，鑽具和鑽削參數優化具有指導意義。
技術實現要素：
為了提高煤巖壁鑽孔鑽具在鑽削煤巖壁過程中的鑽削扭矩和鑽削進給力的測試數據的可靠性，本發明提供一種煤巖壁鑽孔鑽具鑽削性能實驗臺。該實驗臺可以根據井下煤巖壁在不同埋深受到的實際地應力的情況，對煤巖壁施加相應的圍壓，模擬鑽具鑽削煤巖壁的過程，可對不同型號規格的鑽具在鑽削煤巖壁過程中的鑽削性能進行測試。
技術方案：煤巖壁鑽孔鑽具鑽削性能實驗臺，包括鑽削動力裝置、煤巖壁圍壓加載裝置、液壓系統和信號採集系統。鑽削動力裝置包括鑽機、風機和鑽具（包括鑽杆和鑽頭）。鑽機的迴轉器後端通過動密封接頭與風機的風管連接，迴轉器前端夾緊鑽杆，鑽杆末端裝有鑽頭。煤巖壁圍壓加載裝置包括煤巖壁、圍壓支架和圍壓油缸，圍壓油缸分別固定在圍壓支架上方、左側、右側，分別從上面、左面和右面對煤巖壁施加圍壓。液壓系統包括液壓泵站和控制臺，控制臺連接到液壓泵站，液壓泵站通過液壓軟管連接到迴轉器、進給油缸、圍壓油缸，為鑽削動力裝置和煤巖壁圍壓加載裝置提供動力。信號採集系統包括壓力傳感器、流量傳感器、轉速傳感器、數據採集儀和計算機，壓力傳感器、流量傳感器、轉速傳感器分別與數據採集儀連接，數據採集儀與計算機連接，信號採集系統對鑽具鑽削煤巖壁過程中的液壓油壓力、液壓油流量和鑽杆轉速的信號進行採集並處理。
所述的煤巖壁圍壓加載裝置的圍壓支架的上方、左側和右側分別設有圍壓油缸，圍壓油缸分別從上面、左面和右面對煤巖壁施加圍壓。
所述的煤巖壁圍壓加載裝置的圍壓油缸由液壓泵站提供動力，控制臺進行調節控制，根據井下煤巖壁在不同埋深受到的實際地應力的情況，對煤巖壁施加相應的圍壓。
所述的鑽削動力裝置的鑽機的迴轉器後端通過動密封接頭與風機的風管連接。
所述的鑽削動力裝置的鑽具，包括鑽杆和鑽頭可更換為不同直徑規格的鑽杆和不同型號規格的鑽頭；所述的鑽杆和鑽頭有中心氣孔。
所述的煤巖壁是以42.5#普通矽酸水泥和煤粉為主要材料，水為粘合劑，根據不同配比研製的具有不同硬度的人工煤巖壁。
所述的鑽機迴轉器進油口設有壓力傳感器和流量傳感器，迴轉器的出油口設有壓力傳感器；所述的鑽機進給油缸進油口設有壓力傳感器；所述的鑽杆設有轉速傳感器。
本發明的煤巖壁鑽孔鑽具鑽削性能實驗臺結構簡單，配置靈活；可以根據井下煤巖壁在不同埋深所受到的實際地應力的情況，利用煤巖壁圍壓加載裝置對煤巖壁施加相應的圍壓，模擬鑽具鑽削煤巖壁的過程，對鑽具在鑽削煤巖壁過程中的鑽削扭矩和鑽削阻力進行測試，保證了測試數據的可靠性。
附圖說明
圖1為本發明的煤巖壁鑽孔鑽具鑽削性能實驗臺結構示意圖。
圖2為本發明的煤巖壁圍壓加載裝置結構示意圖。
圖3為本發明信號採集系統示意圖。
具體實施方案
下面結合附圖對本發明作進一步地描述。
本發明的煤巖壁鑽孔鑽具鑽削性能實驗臺，包括鑽削動力裝置、煤巖壁圍壓加載裝置、液壓系統和數據採集系統。鑽削動力裝置包括鑽機1、風機2和鑽具（包括鑽杆5和鑽頭6）。鑽機1的迴轉器3前端夾緊鑽杆5，鑽杆5末端裝有鑽頭6，通過迴轉器3的迴轉帶動鑽具鑽削煤巖壁；鑽機1的進給油缸4與迴轉器3的底部聯接，通過進給油缸4的伸縮實現迴轉器3和鑽具的鑽削進給運動。鑽機1的迴轉器3後端通過動密封接頭10與風機2的風管11連接，鑽機1在鑽削煤巖壁9過程中，風機2的高壓空氣通過鑽杆5和鑽頭6的中心氣孔22進入孔底，將從煤巖壁上鑽削下來的煤巖渣衝出鑽孔。鑽杆5和鑽頭可以更換為不同直徑規格的鑽杆5和不同型號規格的鑽頭6。
煤巖壁圍壓加載裝置包括圍壓支架7、煤巖壁9和圍壓油缸8、23、24，煤巖壁9放置在圍壓支架7的平臺上，圍壓油缸8、23、24分別固定在圍壓支架7上方、左側、右側，分別從上面、左面和右面對煤巖壁9施加圍壓。煤巖壁9是以42.5#普通矽酸水泥和煤粉為主要材料，水為粘合劑，根據不同配比研製的具有不同硬度的人工煤巖壁。
液壓系統包括液壓泵站12和控制臺13，控制臺13連接到液壓泵站12，液壓泵站12通過液壓軟管連接到迴轉器3、進給油缸4、圍壓油缸8、23、24，為迴轉器3、進給油缸4、圍壓油缸8、23、24提供動力。通過調節控制臺13可改變鑽削動力裝置的迴轉速度、進給速度，並根據井下煤巖壁9在不同埋深受到的實際地應力的情況，對煤巖壁9施加相應的圍壓。
信號採集系統包括壓力傳感器15、18、20、，流量傳感器16，轉速傳感器21，數據採集儀25和計算機26，壓力傳感器15、18、20、流量傳感器16、轉速傳感器21分別與數據採集儀25連接，數據採集儀25與計算機26連接。當鑽具鑽削有圍壓的煤巖壁9時，數據採集儀25採集液壓油壓力、液壓油流量和鑽杆5轉速數據並將數據傳輸給計算機26，由計算機26整理分析數據，將數據代入鑽具鑽削扭矩公式和鑽具鑽削進給阻力公式，從而計算出鑽具在鑽削煤巖壁過程中的鑽削扭矩和鑽削進給力。其中，鑽具鑽削扭矩計算公式為：（式中：鑽削扭矩；：迴轉器進油口14與迴轉器出油口18的液壓油壓力差；：迴轉器進油口14的流量；：鑽杆5轉速；：鑽機效率，取0.95）；鑽具鑽削進給力計算公式為：（式中：鑽削進給力；：進給油缸進油口19的液壓油壓力；：進給油缸4的內缸半徑）。