發(fā)布時間：2017-11-28 08:10

  本文關(guān)鍵詞：高壓水射流割縫煤體損傷演化規(guī)律研究與應(yīng)用

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【摘要】：煤與瓦斯突出嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn),如何以安全、經(jīng)濟(jì)的方式消除突出危險(xiǎn)性是當(dāng)前煤與瓦斯突出礦井的迫切要求。瓦斯抽采是極為有效的防突措施,而我國部分煤層抽采效果較差,因此,開展低透性煤層卸壓增透的研究及應(yīng)用具有重要的意義。水力割縫措施通過高壓水射流切割煤體,形成一定大小的縫槽,使得縫槽周圍一定范圍內(nèi)的煤體發(fā)生移動,促進(jìn)煤體內(nèi)裂隙發(fā)育,減少煤體應(yīng)力,溝通瓦斯逸散通道,從而達(dá)到增強(qiáng)瓦斯抽采效果以及消除突出危險(xiǎn)性的目的。但是從目前應(yīng)用來看,依然存在著破煤機(jī)理研究存在缺陷、縫槽影響范圍難以確定、工藝費(fèi)時費(fèi)力等問題,制約了這項(xiàng)措施的應(yīng)用與發(fā)展�；谝陨戏治�,本文主要研究內(nèi)容如下:(1)基于煤巖損傷機(jī)理,研究了高壓水射流結(jié)構(gòu)特性以及破煤理論;采用量綱分析方法研究了高壓水射流距離噴嘴不同位置處的射流速度;基于惠更斯波動理論研究了高壓水射流破煤過程,建立了高壓水射流最大破煤深度的數(shù)學(xué)模型。(2)基于巖石力學(xué)與彈塑性力學(xué),采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究了高壓水射流破煤所形成的縫槽周圍煤體的應(yīng)力-應(yīng)變與破壞規(guī)律以及各個參數(shù)對于煤體卸壓效果的影響;研究了不同布孔方式下割縫之間的協(xié)同卸壓作用;最后建立了水力割縫煤體破壞范圍的數(shù)學(xué)模型。(3)基于計(jì)算流體動力學(xué)理論,采用FLUENT數(shù)值模擬軟件對高壓水射流流場變化規(guī)律以及水射流噴嘴幾何參數(shù)對射流的影響規(guī)律進(jìn)行了研究;在大量數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,建立了包含噴嘴參數(shù)與壓力損耗的噴嘴出口水速數(shù)學(xué)模型。(4)基于第二章、第三章、第四章的理論與數(shù)值模擬研究,建立了包含噴嘴參數(shù)、縫槽參數(shù)、設(shè)備參數(shù)在內(nèi)的縫槽煤體破壞范圍數(shù)學(xué)模型。(5)采用自主設(shè)計(jì)的高壓水射流噴嘴,通過水射流破煤現(xiàn)場試驗(yàn),研究了噴嘴幾何參數(shù)以及泵壓對破煤效果的影響,優(yōu)化了水力割縫噴嘴幾何參數(shù);考察了水力割縫系統(tǒng)及施工流程、排水排渣系統(tǒng)與封孔工藝;通過現(xiàn)場試驗(yàn)采用壓降法考察了水力割縫有效影響范圍,設(shè)計(jì)了水力割縫布孔方案。(6)考察了瓦斯抽采指標(biāo)與區(qū)域消突指標(biāo),驗(yàn)證了水力割縫措施對于強(qiáng)化抽采及消突的有效性。高壓水射流經(jīng)過噴嘴噴出后,根據(jù)距離噴嘴軸線位置的不同,水射流分為緊密段、核心段、破裂段和水滴段,由于空氣的混入,保持噴嘴出口速度的部分越來越小并最終消失;研究了噴嘴出口直徑、水壓、水射流流量三者的關(guān)系,當(dāng)具有相同的水壓時,縮小噴嘴出口直徑可以獲得更大的射流出口速度,當(dāng)具有相同的噴嘴出口直徑時,要想提高水射流速度,需要增大泵壓;分析了目前較為流行的破煤假說,它們對于水射流破煤過程中的一些現(xiàn)象做出了較準(zhǔn)確的描述,但是都具有一定的局限性。由于煤體的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤體的抗拉強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度,因此拉伸破壞與剪切破壞能產(chǎn)生更大的破壞效果;根據(jù)動量定理研究了垂直于煤壁入射時,水射流對煤體的沖擊壓力,表明速度越大,對煤體沖擊造成的壓力也更大。將連續(xù)水射流分為無數(shù)段小水柱,分析了小水柱受到的水錘壓力,根據(jù)量綱分析中的瑞利方法,求得了距離噴嘴不同位置的射流速度;根據(jù)惠更斯波動理論,研究了高壓水射流與煤體表面作用規(guī)律,建立了高壓水射流破煤深度數(shù)學(xué)模型,為現(xiàn)場根據(jù)不同煤體參數(shù)與設(shè)備參數(shù)確定割縫深度提供了一種快速計(jì)算方法,為后文數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗(yàn)提供了參考。FLAC3D全稱是快速拉格朗日差分分析法,特別適用于巖土材料的模擬,尤其是在塑性流變特征模擬方面具有優(yōu)勢�；诖�,首先分析了所研究區(qū)域的地質(zhì)資料等參數(shù),在滿足計(jì)算精度與計(jì)算機(jī)硬件條件的基礎(chǔ)上,建立了數(shù)值計(jì)算模型與水力割縫模型。通過在煤體中形成縫槽,模擬縫槽周圍煤體的應(yīng)力-應(yīng)變與塑性區(qū)域變化規(guī)律。縫槽形成后,周圍煤體所受X軸方向的應(yīng)力在X、Y軸方向呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢,呈對稱分布,中心位于縫槽中點(diǎn)處,與Z軸方向的應(yīng)力分布規(guī)律相似。在Y方向切面上呈“蝴蝶”狀分布。由于水力割縫沖出的縫槽深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其寬度,距離縫槽中心點(diǎn)相同距離下,Y方向的應(yīng)力卸載程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在X方向和Z方向的卸載程度;縫槽在平行于鉆孔的方向煤體處于塑性破壞的區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直于鉆孔的方向煤體處于塑性破壞的區(qū)域,處在塑性區(qū)域的煤體均具有較好的卸壓效果。水力割縫的各項(xiàng)參數(shù)對水射流破煤效果有不同程度的影響,選擇部分割縫參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究,所選參數(shù)為:噴嘴出口壓力、地應(yīng)力、割縫深度、割縫寬度和割縫間距。(1)噴嘴出口壓力:設(shè)置壓力梯度分別為5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、40MPa�？p槽周圍煤體在各個方向上的應(yīng)力卸載逐漸變大,不同壓力梯度下,均呈現(xiàn)了Y方向應(yīng)力卸載大于其他兩個方向,應(yīng)力卸載與壓力梯度呈正比例關(guān)系。隨著水射流壓力的增加,煤體內(nèi)高應(yīng)力區(qū)域逐步往深部移動,水壓從5MPa增加到40MPa過程中,處于塑性區(qū)域范圍的煤體增長速度呈先快后慢趨勢,綜合考慮當(dāng)水射流沖擊煤體的壓力為30Mpa左右時能取得較好的破煤效果。(2)地應(yīng)力:由于地應(yīng)力與埋深呈線性關(guān)系,因此用煤層埋深來代替地應(yīng)力。設(shè)置埋深梯度分別為200m、400m、600m、800m、1000m。從縫槽周圍煤體在X、Y、Z方向的塑性區(qū)域最大值和應(yīng)力卸載最大值關(guān)系圖可知,隨著埋深的增大,縫槽周圍煤體在各個方向的卸壓范圍也在增加。各個方向的應(yīng)力卸載最大值均大于其塑性區(qū)域最大值,說明在這些區(qū)域雖然煤體沒有破壞,但是應(yīng)力仍然有所降低。同時也表明了該措施特別適用于高應(yīng)力地區(qū)。(3)割縫深度:設(shè)置割縫深度梯度分別為1m、1.5m、2m、2.5m、3m。隨著割縫深度的增加,各個方向的塑性區(qū)域最大值都在變大,其中X方向和Z方向的塑性區(qū)域最大值幾乎重合;另外各個方向的應(yīng)力釋放最大值和應(yīng)力卸載體積也在不斷變大,而且應(yīng)力卸載體積呈指數(shù)增長。對于煤體位移變化情況,隨著割縫深度的變大,割縫兩側(cè)煤體位移也逐漸變大,割縫兩側(cè)位移對比大致相同,方向相反。綜合分析,割縫深度對煤體卸壓影響較大,建議在可能的情況下盡量提高割縫深度。(4)割縫寬度:設(shè)置割縫寬度梯度分別為0.1m、0.2m、0.3m、0.4m。割縫寬度的增加增大了縫槽周圍煤體的卸壓程度,使得煤體向縫槽移動幅度變大,煤體變形破壞范圍更大。另外塑性區(qū)域范圍增長迅速,當(dāng)割縫寬度設(shè)置為0.1m時,對應(yīng)的塑性破壞區(qū)域范圍是0.9m,當(dāng)割縫寬度設(shè)置為0.4m時,塑性區(qū)域范圍擴(kuò)大為3.4m,呈現(xiàn)指數(shù)增長。說明提高割縫寬度對周圍煤體的卸壓作用比較明顯,但是提高割縫寬度需要增加噴嘴出口直徑,從而導(dǎo)致出口水速的減小。(5)縫槽間距:設(shè)置縫槽間距梯度分別為2m、3m、4m、5m。縫槽間距設(shè)置較小時,縫槽之間存在重復(fù)卸壓區(qū)域。隨著縫槽間距的增加,縫槽之間卸壓重疊區(qū)域逐漸減小,直到5m,縫槽中間位置處的煤體已經(jīng)無法受到兩側(cè)縫槽的影響,此時卸壓效果較差。割縫間距在2m~5m范圍內(nèi)增加時,塑性區(qū)域體積呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢,而Y方向應(yīng)力卸載體積呈現(xiàn)逐步增加的趨勢,二者大致呈線性關(guān)系。(6)研究了割縫之間的協(xié)同卸壓作用規(guī)律。距離割縫鉆孔為3m的抽采鉆孔受水力割縫卸壓作用明顯,因此可以提高瓦斯抽采效果。割縫鉆孔交叉布置比平行布置對于煤體的卸壓作用更顯著。基于前文數(shù)值模擬進(jìn)行的割縫參數(shù)對于煤體卸壓效果的影響,選擇的割縫參數(shù)為地應(yīng)力、割縫深度以及割縫寬度,繼續(xù)增加了若干組參數(shù)交叉的數(shù)值模擬。得到了不同參數(shù)組合的塑性區(qū)域范圍,采用MATLAB進(jìn)行擬合,建立了煤體破壞范圍數(shù)學(xué)模型。采用FLUENT數(shù)值模擬軟件研究了高壓水射流流場變化規(guī)律;研究了噴嘴幾何參數(shù)對高壓水射流流場的影響規(guī)律。建立了噴嘴數(shù)值計(jì)算模型,得到了距離軸線不同位置截面上的水速分布曲線,可知在軸線位置處水速最大。射流速度最低的是6D截面位置;對于噴嘴外側(cè)的射流而言,湍流動能較大的區(qū)域處在核心區(qū)兩側(cè)周圍,湍流動能較小的區(qū)域位于核心區(qū)內(nèi)。在上文數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,分別研究了噴嘴幾何參數(shù)對出口水速等參數(shù)的影響規(guī)律。(1)收縮角:設(shè)置的收縮角分別為:13°,30°和60°。從射流的速度等值線圖可以看出,三種不同收縮角的噴嘴的最高速度相差并不懸殊。當(dāng)收縮角為13o時,射流在收縮段持續(xù)的加速度時間最長,射流的等速核也最長。綜合考慮,收縮角為13°的噴嘴進(jìn)行破煤效果較好。(2)噴嘴出口直徑:設(shè)置的噴嘴出口直徑分別為1.4mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm。噴嘴出口直徑為2mm時,具有最大的軸心速度,并且射流速度衰減較慢。出口直徑越大的噴嘴,其軸線壓力也越大,二者幾乎呈線性關(guān)系。(3)直柱段長度:設(shè)置的直柱段長度分別為4mm(2D)、8mm(4D)、12mm(6D)、24mm(12D)。軸線上射流的速度和動壓在直柱段長度達(dá)到24mm時,達(dá)到極限狀態(tài)。直柱段長度為2D時,具有最大的核心區(qū)。綜合分析,選擇直柱段長度為4D或者6D。為了使擬合結(jié)果更準(zhǔn)確,增加了6個收縮角,分別為0°、20°、50°、90°、120°和180°。增加7個水壓,分別為5MPa、10MPa、15MPa、30MPa、40MPa、50MPa和60MPa。通過數(shù)值模擬,得到了噴嘴幾何參數(shù)與出口水速的關(guān)系。考慮到管路存在壓力損失,為了減少誤差,分別考慮了沿程壓力損失與局部壓力損失,建立了包含噴嘴幾何參數(shù)和壓力損耗等因素的高壓水射流噴嘴出口水速數(shù)學(xué)模型。將前面章節(jié)所得數(shù)學(xué)模型進(jìn)行綜合研究,建立了包含煤體參數(shù)、噴嘴參數(shù)、設(shè)備參數(shù)等因素的水力割縫煤體破壞范圍數(shù)學(xué)模型。該模型為現(xiàn)場提供了一種快速確定水力割縫破壞范圍的方法。通過高壓水射流破煤現(xiàn)場試驗(yàn),首先對該礦所用噴嘴幾何參數(shù)與本文研究所得幾何參數(shù)對破煤效果的影響進(jìn)行了對比研究,通過測量破煤所形成的孔洞體積,得出本文研究所得幾何參數(shù)的噴嘴效果更佳,優(yōu)化了水力割縫噴嘴幾何參數(shù)。其次考察了泵壓對破煤效果的影響,通過測量破煤所形成孔洞的深度,擬合了割縫深度的函數(shù)。通過水力割縫有效影響范圍現(xiàn)場試驗(yàn),采用壓降法考察了測試孔瓦斯壓力變化情況,確定了水力割縫措施有效抽采半徑為3m�；诖�,設(shè)計(jì)了水力割縫鉆孔布孔方案,避免了抽采盲區(qū),減少了措施工作量�？疾炝怂Ω羁p施工前后鉆孔瓦斯涌出量變化,瓦斯涌出量在割縫時急劇上升,之后又出現(xiàn)回落;對瓦斯抽采量指標(biāo)進(jìn)行了跟蹤考察,水力割縫后,瓦斯?jié)舛取⒓兞�、抽采量均有不同程度的增加。水力割縫鉆孔抽采效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通抽采孔。距離水力割縫孔距離的不同,普通抽采孔受水力割縫措施影響程度也不同,某些鉆孔增長顯著�？疾炝怂Ω羁p措施的消突效果,采用的消突指標(biāo)是殘余瓦斯含量和殘余瓦斯壓力。用直接法測量了殘余瓦斯含量,四個孔瓦斯含量均不超標(biāo)。通過間接法考察了殘余瓦斯壓力,結(jié)果均低于臨界值,證明該區(qū)域消除了突出危險(xiǎn)性,從而驗(yàn)證了水力割縫措施的有效性。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD713.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1233274