本文關(guān)鍵詞：鉆孔水射流沖擊動力破煤巖增透機(jī)制及其應(yīng)用研究

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【摘要】：目前,我國煤礦井下瓦斯以鉆孔抽采為主,由于多數(shù)煤層具有微孔隙、低滲透率、高吸附的特征,煤層瓦斯抽采十分困難,嚴(yán)重制約了煤、氣的高效開采。鉆孔水射流增透技術(shù)是促進(jìn)瓦斯抽采的有效措施之一,在煤礦現(xiàn)場得到了廣泛應(yīng)用。然而,目前針對水射流破煤巖特性及增透機(jī)制的理論研究滯后于實(shí)際應(yīng)用,現(xiàn)場工藝技術(shù)的改進(jìn)缺乏必要的理論支撐,亟待進(jìn)一步研究和完善。本文以水射流增透技術(shù)在礦井瓦斯抽采中的應(yīng)用為工程背景,采用理論分析、物理試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試等方法,深入研究了鉆孔內(nèi)水射流的沖擊特性和破煤巖機(jī)制,提出了新的水射流增透方法,并對其影響范圍及增透機(jī)制進(jìn)行了分析,取得的主要研究成果如下:(1)借助壓汞、甲烷吸附和核磁共振實(shí)驗(yàn),研究了高突煤層的孔隙結(jié)構(gòu)與吸附特征及其對水射流沖擊的響應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明:高突煤層的孔隙發(fā)育程度較低,孔間連通性較差,結(jié)構(gòu)較為密實(shí);半開放性微、小孔大量發(fā)育,使得煤體對瓦斯的吸附能力較強(qiáng),而開放性中、大孔發(fā)育較少,缺少滲流通道的瓦斯難以抽采;水射流的沖擊作用改善了高突煤層的孔隙結(jié)構(gòu),使得煤中微、小孔的含量減少,中、大孔的含量增加。(2)建立了水射流沖擊高速攝像試驗(yàn)系統(tǒng),研究了水射流沖擊鉆孔表面的流體形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征,揭示了鉆孔內(nèi)水射流的沖擊動力學(xué)特性。結(jié)果表明:與沖擊平面相比,水射流沖擊鉆孔瞬間即在接觸點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)“水墊”,沖擊穩(wěn)定后“水墊”的厚度增加,反射流體的面積增大,且反射角度明顯大于平面;相同水射流在鉆孔表面形成的速度和壓力峰值較小,但侵入煤體后速度和壓力下降較為緩慢,對煤體具有更長的破壞作用時(shí)間。在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,理論推導(dǎo)了水射流沖擊產(chǎn)生的水錘作用區(qū)域長度和作用時(shí)間公式,并從動量角度建立了水射流沖擊鉆孔的作用力計(jì)算模型。(3)建立了水射流破煤巖試驗(yàn)系統(tǒng),研究了水射流壓力和靶距對破煤巖特性的控制作用,分析了水射流破煤巖的時(shí)效特性和熱效應(yīng),揭示了鉆孔內(nèi)水射流的破煤巖機(jī)理。結(jié)果表明:水射流壓力越高,沖擊能力越強(qiáng),相同時(shí)間內(nèi)形成的沖擊坑深度和面積越大;隨著靶距的增加,水射流沖擊能力減弱,試塊破裂度提高,破裂時(shí)的沖擊坑深度和面積增大;與沖擊平面相比,水射流沖擊鉆孔形成的沖擊坑深度較小、面積較大,沖擊至破裂的時(shí)間較長;從損傷和能量角度描述了孔內(nèi)水射流破煤巖過程與機(jī)制,孔內(nèi)水射流破煤巖實(shí)質(zhì)上是一個(gè)沖擊-損傷破壞過程,是沖擊載荷和準(zhǔn)靜態(tài)壓力共同作用的結(jié)果,本質(zhì)上是水射流動能轉(zhuǎn)化為煤巖體內(nèi)能的過程。(4)建立了鉆孔徑向滲透率模型,分析了鉆孔直徑對徑向增透率的影響,證明了增加鉆孔直徑是提高煤層徑向增透率的有效途徑,提出了大直徑穿層鉆孔的水射流成孔方法。通過數(shù)值模擬研究了水射流鉆孔對煤體裂隙演化的影響,分析了水射流鉆孔的影響半徑和最佳間距,結(jié)果表明,隨著鉆孔直徑的增加,周圍煤體的張應(yīng)力增大,鉆孔間的相互作用增強(qiáng),次生裂隙增多,鉆孔抽采的有效區(qū)半徑提高;穿層鉆孔的抽采有效區(qū)半徑可以采用擬合關(guān)系式0 0 01.108 ln()3.612IR(28)-r r(10)r計(jì)算,也可以用塑性區(qū)半徑的2倍進(jìn)行估算。(5)建立了含孔煤體雙軸加載試驗(yàn)系統(tǒng),研究了含孔煤體受載特征及損傷機(jī)制,從增加卸壓范圍、改善孔隙結(jié)構(gòu)、形成裂隙網(wǎng)絡(luò)和強(qiáng)化孔間影響四個(gè)角度,描述了水射流鉆孔對煤體的協(xié)同增透機(jī)制。針對突出煤層的自噴特性和區(qū)域煤體存在的抽采薄弱區(qū),提出了水射流鉆孔協(xié)同抽采模式,并在平煤集團(tuán)十二礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明:采用水射流鉆孔協(xié)同抽采模式后,預(yù)抽高突煤層煤巷條帶瓦斯的穿層鉆孔數(shù)量減少了32.5%,穿層鉆孔長度減少了42.9%,煤巷區(qū)域的消突效果顯著,高突煤巷掘進(jìn)速度提高近1倍。論文研究期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文20篇,第一作者論文5篇(SCI論文1篇,EI論文3篇);申請國家發(fā)明專利19項(xiàng),已授權(quán)14項(xiàng);獲得省部級科學(xué)技術(shù)獎3項(xiàng)(一等獎1項(xiàng)、二等獎2項(xiàng))。
【關(guān)鍵詞】：瓦斯抽采 煤層增透 穿層鉆孔 破煤巖 水射流
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD712.6
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-10
• Extended Abstract10-27
• 變量注釋表27-29
• 1 緒論29-41
• 1.1 研究背景及意義29-31
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31-36
• 1.3 存在的主要問題36-37
• 1.4 主要研究內(nèi)容37-38
• 1.5 總體研究思路38-39
• 1.6 主要進(jìn)展及成果39-41
• 2 高突煤層結(jié)構(gòu)特征及其水射流沖擊響應(yīng)41-64
• 2.1 煤樣選取及其組分特征41-44
• 2.2 高突煤層的孔隙特征44-52
• 2.3 高突煤層的吸附特征52-60
• 2.4 水射流對高突煤層孔隙結(jié)構(gòu)的影響60-63
• 2.5 本章小結(jié)63-64
• 3 孔內(nèi)水射流沖擊動力學(xué)特性64-84
• 3.1 圓形紊動水射流特征64-67
• 3.2 水射流沖擊鉆孔的流態(tài)演化67-71
• 3.3 水射流沖擊鉆孔的力學(xué)演化71-75
• 3.4 水射流沖擊鉆孔的動力學(xué)模擬75-82
• 3.5 本章小結(jié)82-84
• 4 孔內(nèi)水射流破煤巖特性84-105
• 4.1 水射流沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)及方案84-88
• 4.2 射流壓力對破煤巖特性的控制作用88-93
• 4.3 沖擊靶距對破煤巖特性的控制作用93-98
• 4.4 水射流破煤巖的時(shí)效特性98-100
• 4.5 水射流破煤巖的熱效應(yīng)100-103
• 4.6 孔內(nèi)水射流破煤巖機(jī)制103-104
• 4.7 本章小結(jié)104-105
• 5 水射流鉆孔對煤體的徑向增透機(jī)制105-131
• 5.1 鉆孔徑向增透研究105-110
• 5.2 水射流鉆孔成孔方法110-111
• 5.3 水射流鉆孔對煤體裂隙演化的影響111-123
• 5.4 水射流鉆孔對抽采有效區(qū)的影響123-129
• 5.5 本章小結(jié)129-131
• 6 含孔煤體受載損傷特性131-155
• 6.1 煤體加載試驗(yàn)系統(tǒng)及方案131-135
• 6.2 含孔煤體受載特征及損傷機(jī)制135-139
• 6.3 含孔試塊受載特性的尺度效應(yīng)139-143
• 6.4 含孔試塊受載特性的空間效應(yīng)143-148
• 6.5 含孔試塊受載特性的耦合效應(yīng)148-152
• 6.6 水射流鉆孔協(xié)同增透機(jī)制152-154
• 6.7 本章小結(jié)154-155
• 7 水射流鉆孔區(qū)域增透現(xiàn)場試驗(yàn)155-175
• 7.1 平頂山礦區(qū)特點(diǎn)及試驗(yàn)礦井概況155-159
• 7.2 水射流鉆孔對區(qū)域瓦斯治理的影響159-169
• 7.3 水射流鉆孔協(xié)同抽采模式169-170
• 7.4 現(xiàn)場試驗(yàn)170-173
• 7.5 本章小結(jié)173-175
• 8 結(jié)論、創(chuàng)新點(diǎn)及展望175-178
• 8.1 主要結(jié)論175-176
• 8.2 創(chuàng)新點(diǎn)176-177
• 8.3 展望177-178
• 參考文獻(xiàn)178-191
• 作者簡歷191-195
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集195

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本文編號：1066660