关键词：天然气水合物;;相似材料;;机械破碎;;绞吸式;;破碎性能
摘 要：作为我国第173个矿种,天然气水合物资源量丰富,是一种高效清洁能源,也是未来全球能源发展的重要方向。固态流化开采是我国首创的海底非成岩水合物安全绿色高效开采新思路,而其中海底采掘部分又是该工艺能否达到商业化产气量的关键。本文针对采掘破碎方式之一的机械绞吸式破碎,开展了绞吸式刀头上单个刀齿对水合物矿体的破碎性能研究,是下一步绞吸式破碎刀头设计和优化的重要基础。所开展的主要研究工作如下:(1)针对室内合成海底天然气水合物成本高、周期长且常温常压易分解的问题,配制了两种分别用于替代平均强度水平与峰值强度水平的海底非成岩水合物相似破碎材料,为本文及后续破碎性能实验和工具优化提供了快速低成本样品。考虑到破碎性能研究主要关注水合物破碎时的体积、速度和粒度分布,而在海底原位环境时水合物不易发生相态变化,本文提出基于相似理论采用具有相似力学性质的材料代替海底非成岩水合物开展破碎实验。通过单轴压缩实验、三轴剪切实验、巴西劈裂等实验研究,得到了所配制样品的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、抗拉强度、粘聚力、内摩擦角等参数,对比水合物相应特性参数,确定了分别针对平均强度和峰值强度水合物的两种配方,掌握了相应配制工艺和方法,绘制了以骨料含量、胶结物中石膏含量为变量的相似材料配制图板,为后续工作提供了破碎样品和宝贵的配方数据。(2)在所配制水合物破碎样品的基础上,开展了刀齿破碎实验,得到了单齿切削宽度、切削深度、前刃面角、侧倾角、切削速度以及材料力学性质等参数对切削载荷和切削比能的影响规律,为机械绞吸式刀头单齿的优化设计提供了依据。针对全尺寸机械绞吸式刀头破碎实验难以实现的问题,拟合了切削深度、切削宽度等参数与切削力的二项式方程。验证了 Evans二维拉伸破碎模型在大前刃面角工况下的适应性,并对小前刃面角工况下的Goktan挤压破碎模型进行了修正,为全尺寸机械绞吸式刀头破碎时切削力的计算仿真奠定了理论基础。(3)在水合物样品单齿破碎实验基础上,通过开展不同切削参数和刀齿结构下水合物样品破碎后粒径分布的研究,得到了各参数对水合物破碎后粒径分布的影响规律。实验数据表明,在所关注参数中切削深度是影响水合物破碎后粒径分布的最主要因素,侧倾角10°楔形齿破碎效果最佳,最大粒径、大粒径组分质量分数等均低于其它齿型,为机械绞吸式破碎刀头的单齿优化设计和选型提供了依据。(4)基于D-P强度准则创建了海底非成岩水合物破碎数值模型,基于该模型采用ABAQUS软件开展了海底非成岩水合物破碎的仿真分析,并结合水合物样品破碎实验数据对模型进行了修正。使用修正后的模型开展了机械绞吸式刀头组合刀齿破碎的仿真研究。为后续海底非成岩水合物的机械破碎仿真研究、机械绞吸式刀头的结构设计与优化提供了仿真模型和方法。本文研制了两种海底非成岩天然气水合物破碎样品,通过样品单齿破碎实验研究发现了切削参数对破碎粒径和载荷的影响规律,找到了影响水合物破碎粒径的主控因素,创建了海底非成岩水合物数值模拟的仿真模型并使用实验数据对其进行了修正,研究成果为海底非成岩水合物机械绞吸式破碎刀头的设计与优化提供了理论和方法,对海底非成岩水合物机械式采掘的研究具有支撑作用。
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