前混式高压磨料水射流切割锚杆性能实验研究

王从东

(安徽理工大学科技产业处， 安徽　淮南　232001)



前混式高压磨料水射流切割锚杆性能实验研究

王从东

(安徽理工大学科技产业处， 安徽淮南232001)

摘要：为了研究高压水射流切割煤矿锚杆的问题，利用自行搭建前混式高压磨料水射流切割系统对煤矿用的锚杆进行切割试验，通过对射流压力、磨料参数、横移速度和喷射靶距等参数对切割能力影响的探讨，得出射流压力与切割深度可以简化为线性关系，喷嘴横移速度与切割深度可以简化为反比关系，以及磨料参数和靶距存在最优值等结论，同时获取了切割所需的最佳工艺参数。

关键词：锚杆；磨料水射流；切割

锚杆是我国煤矿巷道的主要支护工具，但杆体作为一次性消耗用品，在巷道报废后一般都留在煤(岩)体内，造成了大量的浪费。为能够最大限度的节支降耗， 提高经济效益， 煤矿实际工作中对锚杆一般都会进行回收[1]。这些废旧的锚杆与锚索经过长期的腐蚀，通常都已经有不同程度的锈蚀，尤其是锚杆上的螺母，往往由于生锈很难利用普通的工具进行拆除。直接对其进行切割是一种简单、直接、适应性强的方法，但热切割工具在煤矿井下高瓦斯环境下受到很大的限制[2]，为此，本为提出了利用前混合磨料射流技术对锚杆锁紧螺母进行切割去除，并利用实验室研制的前混高压水射流切割系统进行试验，通过试验结果的分析比较将矿用锚杆切割工艺进行了优化。

1试验系统

本文采用的试验系统由前混合磨料射流发生装置(含加旋喷头、高压水泵)、数控系统、磨料回收灌装装置、数控工作台(含滚珠丝杠、伺服电机、喷头装夹装置及导轨等)、试块装夹装置等组成[3]。整个试验系统由磨料射流发生装置提供磨料浆液。喷射出来的磨料由磨料回收灌装装置回收并重新灌装到磨料射流发生装置中，试验系统如图1所示。

本文采用80目的石榴石做磨料，磨料的质量浓度20%[4]。切割试验用的锚杆是由均质钢材通过热扎工艺制成的带肋锚杆，强度等级400 MPa，公称直径22 mm，锚杆样品如图2所示。

2试验结果与分析

2.1　射流压力对切割能力的影响

射流的喷射压力(喷嘴后端的压力值)是影响射流切割能力的最重要的参数，它的大小决定着射流所携带的能量，直接影响着射流对靶物的的切割能力[5]，本试验在不同的射流压力下做了锚杆的切割测试，归纳压力参数与切割效率关系，同时也可为现场应用时选择切割压力参数提供依据。本文试验中，射流切割时的冲击方向为垂向，由于锚杆为圆柱形，切割面为近似的圆形，表1和图3为试验得到的数据。

表1　不同工作压力的实验数据

由试验结果可知，由于材质的均匀性，在切割参数稳定的条件下，切割规律是稳定的。根据伯努利方程及流体连续性方程可知，在喷嘴结构、横移速度、靶距等参数不变的情况下，压力的大小直接决定着射流速度和磨料的能量，既压力和喷嘴出口处的射流速度成正比，压力越大，射流的速度及磨料切割能力也就更大，切割的深度也就越大。在一定的喷嘴直径(φ0.8 mm和靶距(5 mm)下，，保持均匀的横移速度(30mm/min)，射流切割锚杆的深度和射流的压力几乎成正比关系。

2.2　喷射靶距对切割能力的影响

磨料射流从喷嘴喷出后，必须要有一个合适的喷射靶距，靶距过大或过小都将使射流的切割能力下降，切深减少。这是因为靶距过大时，水流会很快发散，射流到达物料表面的动能降低多，影响了切深；而靶距过小时射流反溅严重，切深也会下降。实验的工艺参数及实验结果如表2和图4所示。

表2　不同喷射靶距的实验数据

由图3可见，前混式高压磨料水射流切割煤矿用锚杆的靶距有个临界值，当靶距低于临界值时，切割深度基本不变，靶距高于这个临界值时，切割的深度迅速下降。因为随着喷射靶距的增大，射流中卷吸到的外部环境介质增多，导致射流平均速度降低、磨料射流集束性逐渐减弱。磨料粒子产生动能的减少，致使其对煤矿用锚杆的冲蚀力减弱，切割深度随之减小。但靶距过小，喷嘴的底端与切割平面的上表面就越近，容易造成磨料反溅空间不足，反溅起来的磨料会摩擦喷嘴的底端，造成喷嘴的磨损加速，减少喷嘴的使用寿命，甚至出现喷嘴堵塞现象，对整台设备的密封系统造成损害。由实验可知，当靶距为5mm时，切割效率并没有下降，且可保持足够多的空间让磨料反溅。

2.3　横移速度对切割能力的影响

本实验对锚杆样品进行切割，研究横移速度与切割深度的关系，实验的工艺参数及实验结果如表3和图4示。

表2　不同喷嘴横移速度的实验数据

由图5可见，在射流压力、靶距、喷嘴直径不变的情况下，喷嘴横向移动速度与射流作用在锚杆上的切割深度成反比关系。喷嘴的横向工作速度对射流切割效能的影响表现为射流作用时间与切割深度的关系。当横移速度较慢时，磨料射流作用在锚杆上的时间较长，水楔作用较强，磨料对锚杆的磨削、冲蚀作用显著，切割深度较大。但是如果横移速度过慢，则切割不能充分利用射流的能量，浪费的能量较多，工作效率低。横移速度增大时，射流与物料的作用时间减少，作用在锚杆上的平均冲击力降低，切割效率大幅下降，切割深度也相应减少。因此可以根据压力、切割深度等参数来选择合适的横移速度。

3结论

通过试验结果分析可知，用前混式高压磨料水射流切割煤矿用锚杆是高效可行的，并可得出以下结论

1) 磨料射流的压力与切割锚杆的切割深度可以简化为线性关系。压力越大，磨料的动能越高，切割深度也就更大。

2) 切割靶距存在一个最佳值，超过或小于这个值时，切割深度都达不到最大值，且切割表面质量较低。

3) 切割的时候存在一个最佳的切割横移速度。横移速度过大，切割作用时间短，切割深度就会大幅下降。但是横移速度也不能过小，否则能源浪费较多，效率较低。

综上所述，前混式高压磨料水射流切割煤矿用锚杆的最佳参数是：喷嘴直径0.8 mm的喷嘴，磨料流量为0.45 kg/min，磨料为80目的石榴石，射流压力为25 MPa，切割速度30 mm/min，靶距5 mm。

参考文献：

[1]康全玉，孙玉宁，常玉林.粘结式全长可回收树脂金属锚杆研究[J] 煤炭工程， 2003 (9)：35-36.

[2]王从东.高压水射流技术在煤矿安全生产中的应用[J].煤矿机械，2008，29(10)：150-152.

[3]张东速，杨立志，董祖伟，等.高压水射流技术在矿井生产中的安全应用[J].煤矿机械，2011，32(03)：213-214.

[4]赵韡，郭楚文，陆峰峰.煤矿井下磨料水射流切割机的设计及应用[J].煤矿机械，煤炭工程，2012(4)，117-118.

[5]杨丽君.磨料水射流切割钢丝胶管的研究[J] 煤矿安全， 2011，42(6)：18-21.

(责任编辑：李丽，范君)

Experimental Research on the Performance of Coalmine-used Anchor Bolt Cutting by a Fore-Hybrid High-pressure Abrasive Water-jet

WANG Cong-dong

(Department of Science Research and Technical Service, Anhui University of Science and Technology，Anhui Huainan 232001，China)

Abstract:In order to study coalmine-used anchor bolt cutting by high-pressure water jet, by using a fore-hybrid high-pressure abrasive water-jet cutting system built by our own, the anchor bolt cutting experiment was conducted. Based on the study of the influence of jet pressure, abrasive parameters, traversing speed, and jet target distance on cutting, it was concluded that the jet pressure and cutting depth can be simplified as a linear relationship and nozzle traversing speed and cutting depth as a inverse relationship, and there is the optimum value of the abrasive parameters and the target distance. At the same time, the optimal process parameters of cutting were obtained.

Key words:anchor bolt；abrasive water jet；cutting

作者简介：王从东(1978-)，男，安徽淮北人，讲师，硕士，研究方向：高压水射流。

基金项目：安徽省高校省级自然科学研究基金资助项目(KJ2013A104)

收稿日期：2015-05-27

中图分类号：TQ051

文献标志码：A

文章编号：1672-1098(2015)04-0031-03