李志強(qiáng)， 劉送永， 顧聰聰

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

引言

“采掘比例失調(diào)”一直是限制我國(guó)煤炭開(kāi)采的關(guān)鍵難題[1]，隨著巖石井巷在我國(guó)巷道施工占比中的不斷提高，以及我國(guó)煤礦開(kāi)采深度不斷增加，巷道巖石硬度不斷上升[2]，“采掘失調(diào)”問(wèn)題日趨嚴(yán)重。鉆爆法是巖巷掘進(jìn)的主要工法之一，在巖巷施工中占95%以上[3]，但巖巷鉆爆法掘進(jìn)水平常年維持在70～80 m/月[4]，且鉆爆法施工中存在著無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)、機(jī)械化程度低、安全性差等問(wèn)題。

為解決硬巖巷道掘進(jìn)問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者做出了一些研究。王虹[5]分析了國(guó)內(nèi)硬巖掘進(jìn)機(jī)在截割技術(shù)、 元部件可靠性、除塵系統(tǒng)、自動(dòng)控制技術(shù)以及系統(tǒng)配套技術(shù)方面與國(guó)外相比存在的差距；李剛等[6]依據(jù)長(zhǎng)平煤礦4306巷道實(shí)際工況，選用高效的鉆裝機(jī)組作為巷道快速掘進(jìn)設(shè)備，數(shù)值模擬優(yōu)化爆破施工參數(shù)，有效地提高了巖巷掘進(jìn)效率；杜長(zhǎng)龍等[7]提出了水射流輔助截齒破巖技術(shù)，研發(fā)一種根據(jù)截齒受力自動(dòng)調(diào)節(jié)流量的自控水力截齒；江紅祥等[8]提出了高壓水射流沖擊破巖的方法，利用光滑粒子流和有限元模擬了高壓水射流沖擊破巖過(guò)程；SEVDA D等[9-10]對(duì)脈沖射流沖擊作用下巖石表面和亞表面的損傷進(jìn)行研究，驗(yàn)證了脈沖射流的破巖能力，分析了沖擊靶距和沖擊頻率對(duì)脈沖射流破巖能力的影響；劉送永等[11]提出了一種基于高壓泡沫介質(zhì)的鉆漲鑿巖一體機(jī)及方法，以減小掘進(jìn)作業(yè)中不必要的工序，提高作業(yè)效率；W W D GRAAF等[12]對(duì)液壓劈裂器在深部開(kāi)采中的適用性進(jìn)行了評(píng)估，通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)了機(jī)械式劈裂器相較鉆爆法的優(yōu)勢(shì)及施工難點(diǎn);李洪盛等[13]提出了基于空孔輔助的液壓劈裂器破巖方法，分析了空孔輔助破巖過(guò)程中裂紋形成和擴(kuò)展機(jī)理，提出了最優(yōu)布孔方式。

以上研究在一定程度上推進(jìn)了硬巖巷道掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，但多關(guān)注于破巖機(jī)理、破巖工藝和破巖效果，鮮有關(guān)于破巖裝置及其性能的研究。因此，本研究結(jié)合現(xiàn)有破巖裝置的特點(diǎn)，提出了一種具有強(qiáng)破巖能力、短作業(yè)周期的高壓泡沫漲裂裝置，利用AMESim建立了裝置及其液壓控制系統(tǒng)仿真模型，得到了裝置動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)，以期為研制高性能的硬巖掘進(jìn)設(shè)備提供參考。

1 高壓泡沫漲裂裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

漲裂破巖利用了巖石抗拉強(qiáng)度約為巖石抗壓強(qiáng)度1/10的特點(diǎn)[14]，相較沖擊、磨削破巖技術(shù)，能以較小的單位比能耗實(shí)現(xiàn)巖石的有效破碎?，F(xiàn)有漲裂破巖技術(shù)多采用機(jī)械式劈裂器和高壓水力壓裂設(shè)備。機(jī)械式劈裂器進(jìn)行破巖作業(yè)時(shí)，會(huì)在產(chǎn)生噪聲、粉塵的同時(shí)發(fā)生嚴(yán)重的設(shè)備磨損，影響設(shè)備使用壽命；高壓水力壓裂設(shè)備由于水不可壓縮、黏度低的特點(diǎn)，導(dǎo)致設(shè)備壓力高、密封性差，且作業(yè)后會(huì)在工作面產(chǎn)生積水?；诖耍狙芯坎捎门菽嫠?、脈沖射流代替連續(xù)射流，設(shè)計(jì)了一種新型的高壓漲裂破巖設(shè)備。

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的高壓泡沫漲裂裝置如圖1所示，主要由封孔系統(tǒng)和沖壓系統(tǒng)2部分組成。封孔系統(tǒng)主要包括中間體、推進(jìn)缸、后端蓋、封孔活塞、密封管、膨脹膠管、增厚端部等；沖壓系統(tǒng)由蓄能器、前端蓋、液壓缸、活塞、中間體和泡沫腔管組成。

1.蓄能器 2.前端蓋 3.液壓缸 4.緩沖腔 5.中間體 6.推進(jìn)缸 7.密封管 8.膨脹膠管 9.增厚端部 10.泡沫腔管 11.后端蓋 12.封孔活塞 13.活塞 A.回油口 B.推進(jìn)缸進(jìn)油口 C.泡沫入口 D.液壓缸有桿腔進(jìn)油口 E.液壓缸無(wú)桿腔進(jìn)油口圖1 高壓泡沫漲裂裝置結(jié)構(gòu)

1.2 液壓控制系統(tǒng)

針對(duì)高壓泡沫漲裂裝置高速、高壓的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖2所示的能量供給及控制系統(tǒng)，包括主回路、封孔回路和泡沫輸入回路，其中主回路實(shí)現(xiàn)裝置的沖程和回程；封孔回路由液壓油源及三位四通換向閥構(gòu)成，完成巖石預(yù)設(shè)鉆孔的密封；泡沫輸入回路由泡沫源、截止閥和單向閥構(gòu)成通過(guò)泡沫入口向巖石鉆孔輸入泡沫。

1、14.油箱 2.油泵 3.溢流閥 4.二位二通換向閥 5、19.單向閥 6、 11.截止閥 7.蓄能器 8.壓力表 9、20.插裝閥 10.高壓泡沫漲裂裝置 12.回油箱 13.三位四通換向閥 15.巖石 16.鉆孔 17.泡沫源 18.氣液泵圖2 高壓泡沫漲裂裝置控制系統(tǒng)

1.3 工作原理

結(jié)合圖1和圖2，高壓泡沫漲裂裝置作業(yè)時(shí)包含如下工作過(guò)程：

1) 封孔過(guò)程

將高壓泡沫漲裂裝置泡沫腔管插入巖石預(yù)設(shè)鉆孔后，啟動(dòng)封孔回路換向閥13，液壓油從推進(jìn)缸進(jìn)油口進(jìn)入推進(jìn)缸，推動(dòng)封孔活塞，帶動(dòng)外部密封管將膨脹膠管壓入增厚端部外側(cè)，使膨脹膠管直徑增大，與巖石接觸并壓緊產(chǎn)生密封效果。

2) 回程過(guò)程

主回路二位二通換向閥4位于右位，開(kāi)啟截止閥6和11，此時(shí)插裝閥9和20上腔均充滿(mǎn)液壓油，將控制閥芯關(guān)閉，液壓油打開(kāi)單向閥5進(jìn)入蓄能器，打開(kāi)單向閥19通過(guò)液壓缸有桿腔進(jìn)油口進(jìn)入裝置液壓缸有桿腔內(nèi)，推動(dòng)活塞復(fù)位的同時(shí)將液壓缸無(wú)桿腔內(nèi)的液壓油經(jīng)回油口排到回油箱內(nèi)；活塞復(fù)位過(guò)程中，裝置泡沫入口開(kāi)啟，氣液泵將泡沫注入到巖石預(yù)設(shè)鉆孔內(nèi)。

3) 沖壓過(guò)程

活塞復(fù)位后，關(guān)閉截止閥11，二位二通換向閥4換向位于左位，單向閥5和19關(guān)閉，插裝閥9和20上腔卸壓，閥芯打開(kāi)，形成了“蓄能器7→截止閥6→插裝閥9→高壓泡沫漲裂裝置無(wú)桿腔，高壓泡沫漲裂裝置有桿腔→插裝閥20→高壓泡沫漲裂裝置無(wú)桿腔”的差動(dòng)回路，活塞在兩端壓差作用下快速壓縮巖石鉆孔內(nèi)的泡沫，在鉆孔內(nèi)形成高壓區(qū)域，當(dāng)孔內(nèi)壓力達(dá)到巖石破碎強(qiáng)度時(shí)，巖石破碎。

2 高壓泡沫漲裂裝置運(yùn)動(dòng)分析

2.1 回程過(guò)程

此階段，液壓油通過(guò)液壓缸進(jìn)油口進(jìn)入液壓缸有桿腔內(nèi)，推動(dòng)活塞回程的同時(shí)將液壓缸無(wú)桿腔內(nèi)的液壓油排出，活塞的受力如圖3所示。

圖3 回程階段活塞受力圖

其中，F(xiàn)1，F(xiàn)2分別為液壓缸有桿腔和無(wú)桿腔內(nèi)液壓油作用在活塞上的壓力，F(xiàn)P為活塞在液壓油中運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的黏性阻力，F(xiàn)f為裝置密封摩擦阻力，mg為活塞自身重力，活塞回程運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的平衡方程為：

(1)

式中，x——活塞的位移

m——活塞的質(zhì)量

p1——液壓缸有桿腔壓力

A1——活塞有桿端的面積

p2——液壓缸無(wú)桿腔壓力

A2——活塞無(wú)桿端的面積

KP——黏性阻力系數(shù)

由流體連續(xù)性方程可得：

(2)

式中，q1——液壓缸有桿腔的流量

q2——液壓缸無(wú)桿腔的流量

2.2 沖壓過(guò)程

此階段，二位二通換向閥4換向，插裝閥卸壓、閥芯打開(kāi)，蓄能器壓力通過(guò)截止閥作用于活塞無(wú)桿端，在蓄能器的作用下，活塞快速地壓縮巖石鉆孔內(nèi)的泡沫，在孔內(nèi)形成高壓區(qū)域，與此同時(shí)，液壓缸有桿腔和無(wú)桿腔通過(guò)插裝閥20形成差動(dòng)回路，保障蓄能器的壓力，活塞的受力如圖4所示。

圖4 沖壓階段活塞受力圖

活塞沖壓過(guò)程的平衡方程為：

(3)

式中，p3——蓄能器壓力

p4——鉆孔內(nèi)泡沫的壓力

A3——活塞桿的面積

由流體連續(xù)性方程可得：

(4)

式中,q3——液壓缸有桿腔流出的流量

q4——通過(guò)插裝閥進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔的流量

q5——蓄能器流入液壓缸無(wú)桿腔的流量

2.3 蓄能器壓力狀態(tài)方程

當(dāng)高壓泡沫漲裂裝置處于沖壓過(guò)程時(shí)，蓄能器內(nèi)氣體快速膨脹，活塞高速壓縮鉆孔內(nèi)的泡沫，沖壓過(guò)程持續(xù)時(shí)間很短，來(lái)不及同外界換能，因此蓄能器內(nèi)氣體在此階段的狀態(tài)可視為絕熱過(guò)程[15]，即：

(5)

式中，p0——蓄能器初始?xì)怏w壓力

V0——蓄能器初始?xì)怏w體積

pd——蓄能器工作壓力

Vd——蓄能器氣體體積

k——絕熱系數(shù)，k=1.4

2.4 鉆孔泡沫壓力狀態(tài)方程

高速活塞沖壓泡沫在巖石鉆孔產(chǎn)生高壓，泡沫液相不可壓縮，故此時(shí)泡沫壓力變化主要由氣相決定，因沖壓過(guò)程持續(xù)時(shí)間很短，系統(tǒng)來(lái)不及和外界換能，鉆孔內(nèi)泡沫在沖壓階段變化狀態(tài)同樣可視為絕熱過(guò)程，而泡沫氣相多為空氣、氮?dú)?、二氧化碳等雙原子氣體[16]，絕熱系數(shù)k取1.4，即：

(6)

式中，pp——鉆孔內(nèi)泡沫初始?jí)毫?/p>

Vp——鉆孔內(nèi)泡沫初始體積

pc——鉆孔內(nèi)泡沫被活塞壓縮后的壓力

Vc——鉆孔內(nèi)泡沫被活塞壓縮后的體積

k——絕熱系數(shù)，k=1.4

3 AMESim仿真

3.1 仿真模型搭建

根據(jù)高壓泡沫漲裂裝置結(jié)構(gòu)、工作原理及運(yùn)動(dòng)分析，在AMESim中建立了如圖5所示的仿真模型，模擬裝置回程及沖程過(guò)程，利用與鉆孔內(nèi)泡沫壓力變化趨勢(shì)相同的蓄能器模擬鉆孔泡沫壓力的變化。

1.恒壓源 2.信號(hào)源 3.插裝閥模塊 4.單向閥 5.蓄能器 6.液壓油介質(zhì)模塊 7.高壓泡沫漲裂裝置 8.泡沫壓力模塊 9.回油箱 圖5 高壓泡沫漲裂裝置及其液壓回路仿真模型

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真模型中主要參數(shù)的設(shè)置[17]參見(jiàn)表1。

表1 高壓泡沫漲裂裝置主要參數(shù)仿真值表

3.3 仿真結(jié)果與分析

1) 運(yùn)動(dòng)特性分析

設(shè)置仿真參數(shù)，運(yùn)行仿真模型，獲取高壓泡沫漲裂裝置活塞運(yùn)動(dòng)參數(shù)、蓄能器壓力及鉆孔內(nèi)泡沫壓力的變化，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 裝置特性曲線(xiàn)

如圖6a所示，高壓泡沫漲裂裝置在454 ms的時(shí)間經(jīng)歷了3個(gè)運(yùn)動(dòng)周期：第一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期總時(shí)長(zhǎng)為208 ms，其中回程階段145 ms，沖程階段為63 ms；第二、三個(gè)運(yùn)動(dòng)周期總時(shí)長(zhǎng)為123 ms，其中回程階段60 ms，沖程階段為63 ms；在任一個(gè)周期內(nèi)活塞經(jīng)15 ms 完成 0.4 m的回程位移，經(jīng)63 ms行完0.4 m的沖壓行程。

結(jié)合圖6a、圖6b分析可知，裝置第一次作業(yè)的回程階段：恒壓油源高速推動(dòng)活塞回程的同時(shí)，蓄能器在恒壓油源的作用下蓄能增壓，因恒壓油源的壓力高、壓力作用面積大、活塞行程短，活塞只需15 ms就行完0.4 m的回程位移，此時(shí)蓄能器仍在恒壓油源作用下增壓蓄能，經(jīng)145 ms蓄能器完成蓄能，壓力達(dá)到3.5 MPa回程階段結(jié)束。裝置第一次作業(yè)沖壓階段：活塞在蓄能器高壓作用下壓縮鉆孔內(nèi)泡沫產(chǎn)生高壓，鉆孔內(nèi)泡沫壓力最大可達(dá)到17 MPa，此階段由于活塞受到鉆孔內(nèi)高壓泡沫的阻力，運(yùn)動(dòng)速度較回程階段大幅減小，活塞經(jīng)63 ms完成沖壓過(guò)程，同時(shí)，由于液壓缸有桿腔內(nèi)的液壓油經(jīng)插裝閥進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔，蓄能器只需向液壓缸無(wú)桿腔內(nèi)補(bǔ)充0.28 L的液壓油，蓄能器能夠始終維持3 MPa以上壓力。裝置第一次作業(yè)后：恒壓源在以后的回程階段只需向蓄能器補(bǔ)充0.28 L的液壓油，回程階段持續(xù)時(shí)間由145 ms減小為60 ms，沖壓階段持續(xù)時(shí)間仍為63 ms，裝置作業(yè)周期恒定為123 ms。

2) 泡沫初始?jí)毫?/p>

其余參數(shù)值保持不變，將鉆孔泡沫初始?jí)毫υO(shè)置為0.3 MPa，獲取此時(shí)高壓泡沫漲裂裝置活塞運(yùn)動(dòng)參數(shù)、蓄能器壓力及鉆孔內(nèi)泡沫壓力的變化趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 泡沫初始?jí)毫?.3 MPa時(shí)裝置特性曲線(xiàn)

對(duì)比圖6和圖7可知，鉆孔內(nèi)泡沫初始?jí)毫χ饕獙?duì)裝置沖壓過(guò)程及鉆孔內(nèi)泡沫的最大壓力產(chǎn)生影響：當(dāng)泡沫初始?jí)毫τ?.2 MPa增加到0.3 MPa時(shí)，裝置沖壓階段持續(xù)時(shí)間由63 ms增加到65.3 ms，孔內(nèi)泡沫最大壓力由17 MPa增加到23 MPa。

因泡沫初始?jí)毫Φ脑黾?，孔?nèi)泡沫在被活塞壓縮相同體積后的壓力也相應(yīng)的增大，活塞所受阻力隨著泡沫壓力的增大而增大，導(dǎo)致活塞沖壓階段的速度減小，但因沖壓行程較短、活塞速度高，沖壓過(guò)程持續(xù)時(shí)間只隨著泡沫初始?jí)毫π》鹊纳仙?/p>

3) 蓄能器體積

其余參數(shù)值保持不變，將蓄能器體積設(shè)置為4 L，獲取此時(shí)高壓泡沫漲裂裝置活塞運(yùn)動(dòng)、蓄能器壓力及鉆孔內(nèi)泡沫壓力的變化趨勢(shì)如圖8所示。

圖8 蓄能器體積4 L時(shí)裝置特性曲線(xiàn)

對(duì)比圖6和圖8可知，蓄能器體積主要對(duì)裝置回程階段持續(xù)時(shí)間產(chǎn)生影響：當(dāng)蓄能器體積由6.3 L減小到4 L時(shí)，裝置第一次作業(yè)回程階段持續(xù)由間由145 ms 減小到70 ms，裝置固定周期作業(yè)時(shí)回程階段持續(xù)時(shí)間由60 ms減小到50 ms。

由圖6～圖8可知，影響裝置回程持續(xù)時(shí)間的主要因素為蓄能器蓄能時(shí)間。對(duì)比圖6和圖8,當(dāng)恒壓源和蓄能器預(yù)充氣體的壓差保持恒定時(shí)，減小蓄能器體積可顯著降低從恒壓源輸入到蓄能器的液壓油量，故裝置第一次作業(yè)回程階段的持續(xù)時(shí)間顯著降低；裝置恒周期作業(yè)時(shí)，恒壓源向蓄能器補(bǔ)充的液壓油量相同，蓄能器體積越小、恒壓源和蓄能器的壓差越高、蓄能器蓄能時(shí)間越短，而裝置“差動(dòng)回路”的設(shè)計(jì)使得蓄能器所需補(bǔ)充的液壓油量小，故裝置恒周期作業(yè)時(shí)活塞回程階段持續(xù)時(shí)間只小幅度降低。

4 結(jié)論

(1) 針對(duì)現(xiàn)有硬巖巷道掘進(jìn)技術(shù)所存在的問(wèn)題，提出了一種新型的高壓泡沫漲裂破巖裝置，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的液壓控制系統(tǒng)；

(2) 建立了裝置沖程和回程過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，得到了活塞的運(yùn)動(dòng)特性及系統(tǒng)壓力變化曲線(xiàn)；

(3) 仿真獲取了泡沫初始?jí)毫托钅芷黧w積對(duì)裝置性能的影響：裝置漲裂壓力和作業(yè)周期隨孔內(nèi)泡沫初始?jí)毫Φ脑龃蠖龃?，但作業(yè)周期的變化不明顯；裝置作業(yè)周期隨蓄能器體積的減小而減小，其中對(duì)裝置第一個(gè)作業(yè)周期的影響最為顯著。