本文選題：空化水射流　切入點：聲震效應(yīng)　出處：《重慶大學(xué)》2015年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：煤礦淺部資源隨著持續(xù)開采即將耗盡,煤礦開采必然向深部轉(zhuǎn)移,含瓦斯煤層微孔隙、低滲透性、高吸附導(dǎo)致難以開采的難題愈發(fā)明顯。高壓水射流割縫卸壓增透技術(shù)在煤礦瓦斯抽采中已經(jīng)比較廣泛地應(yīng)用,產(chǎn)生的空化聲震效應(yīng)能強(qiáng)化瓦斯解吸與促進(jìn)滲流。但是目前空化聲震效應(yīng)對煤體瓦斯的影響機(jī)理還尚未完全研究清楚,例如聲波是如何作用煤體,橫波與縱波進(jìn)入煤體后對煤體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響,對煤體的抗拉強(qiáng)度,抗剪強(qiáng)度的影響,以及熱效應(yīng)的影響機(jī)理等還未見相關(guān)報道。本文通過理論分析、數(shù)值模擬與實驗驗證相結(jié)合的方式,對空化水射流空化聲頻的頻率特性、空化聲震對煤體應(yīng)力的影響以及對煤體溫度的影響進(jìn)行研究,其取得的主要成果有:①通過對空化水射流聲震效應(yīng)進(jìn)行了聲波特性研究,理論分析了空化聲震的機(jī)械振動與熱效應(yīng)對煤體溫度應(yīng)力的影響,空化聲震產(chǎn)生的空化聲波進(jìn)入煤體后會對煤體產(chǎn)生拉伸與剪切的交替作用,使煤體所受有效應(yīng)力發(fā)生變化,煤基質(zhì)收縮;同時空化過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)使得煤體溫度提高,使煤體內(nèi)瓦斯分子從吸附態(tài)轉(zhuǎn)向游離態(tài),空化過程中產(chǎn)生的溫度越高,解吸的瓦斯氣體愈多。②分析了空化聲波進(jìn)入煤體后能量的傳播過程,得到空化聲波在煤體中傳播的能量方程;在假設(shè)能量傳遞過程中衰減全部轉(zhuǎn)換為熱效應(yīng)的情況下,得到煤體受到空化聲震的機(jī)械振動作用后的應(yīng)力變化方程與空化聲震熱效應(yīng)的煤體溫度變化方程。③通過對空化聲震的聲頻功率譜進(jìn)行統(tǒng)計分析,得到不同空化數(shù)下(圍壓與泵壓的不同的組合)聲頻的分布特征。采用COMSOL數(shù)值模擬軟件分析了不同空化聲頻下對煤體應(yīng)力及溫度變化規(guī)律。得到了空化聲震下煤體的呈交替正負(fù)的聲壓分布特征;空化聲震機(jī)械振動作用對煤體有效應(yīng)力提高0.8MPa~1.2MPa,由于聲波反射與衰減的原因,煤體應(yīng)力呈軸對稱交替分布,有效應(yīng)力的提高與聲頻呈正向關(guān)系;在溫度方面,煤體溫度上升在不同的聲頻下表現(xiàn)不同,在低頻階段上升速度先小后大,在高頻階段沒有這樣的趨勢而保持上升速度較為穩(wěn)定。同時溫度提高在5~8度之間,聲頻越高,熱效應(yīng)越明顯。溫度的分布呈由內(nèi)向外逐級減小的趨勢。④開展了不同空化數(shù)下聲震效應(yīng)的振動測試、空化聲震效應(yīng)對煤體溫度與瓦斯?jié)B流的影響實驗研究。不同空化數(shù)能產(chǎn)生不同的空化集中聲頻,影響煤體溫度及應(yīng)力的主要的空化聲頻集中在2000Hz~6000Hz;通過不同空化數(shù)下的煤體溫度實驗表明,空化聲震熱效應(yīng)促使溫度提高4~5攝氏度,與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合;煤體滲透率隨著空化數(shù)的增加而減小,擬合出滲透率與空化數(shù)之間的關(guān)系式。
[Abstract]:With the continuous exploitation, the shallow resources of coal mine will be exhausted, and the coal mining will inevitably transfer to the deep, and the gas-bearing coal seam will have micropores and low permeability. It is more and more obvious that the difficult problem of mining is caused by high adsorption. The pressure relief and antireflection technology of high pressure water jet cutting joint has been widely used in coal mine gas drainage. The cavitation acoustic shock effect can enhance gas desorption and promote seepage. However, the mechanism of cavitation acoustic shock effect on coal gas has not been fully studied, such as how sound wave acts on coal body. The influence of shear wave and longitudinal wave on coal structure, the influence of shear strength and shear strength on coal structure, and the influence mechanism of thermal effect have not been reported in this paper. The frequency characteristics of cavitation frequency of cavitation water jet cavitation, the influence of cavitation acoustic shock on the stress of coal body and the influence of coal temperature on cavitation water jet cavitation frequency are studied in combination of numerical simulation and experimental verification. The main achievements are as follows: (1) the acoustic wave characteristics of cavitation water jet are studied through the acoustic shock effect of cavitation water jet, and the influence of mechanical vibration and thermal effect of cavitation acoustic shock on the thermal stress of coal body is theoretically analyzed. The cavitation sound wave produced by cavitation acoustic shock will produce alternating action of stretching and shearing on the coal body when it enters the coal body, so that the effective stress of the coal body changes and the coal matrix shrinks. At the same time, the thermal effect in the cavitation process increases the temperature of the coal body. The gas molecules in coal are changed from adsorption state to free state. The higher the temperature produced in cavitation process, the more gas gas desorbed. 2. The energy propagation process after cavitation sound wave enters coal body is analyzed. The energy equation of cavitation sound wave propagating through coal body is obtained. Under the assumption that the decay of cavitation sound wave is converted into thermal effect during the energy transfer process, The stress change equation of coal body subjected to mechanical vibration of cavitation acoustic shock and the temperature change equation of coal body under cavitation acoustical shock heat effect are obtained by statistical analysis of acoustic power spectrum of cavitation acoustic shock. The distribution characteristics of audio frequency under different cavitation numbers (different combinations of confining pressure and pump pressure) are obtained. The variation of stress and temperature on coal body under different cavitation acoustic frequency is analyzed by using COMSOL numerical simulation software, and the coal under cavitation acoustic shock is obtained. The sound pressure distribution of the body is positive and negative alternately. The mechanical vibration of cavitation acoustics increases the effective stress of coal body by 0.8 MPa and 1.2 MPa. Due to the reflection and attenuation of acoustic wave, the stress of coal body is distributed alternately axisymmetrically, and the increase of effective stress is positively related to the sound frequency. The temperature rise of coal body is different under different audio frequency. The rising speed of coal body is first small and then large in low frequency stage, but it is stable in high frequency stage without such trend. At the same time, the higher the audio frequency is when the temperature is increased between 5 degrees and 8 degrees, The more obvious the thermal effect is, the smaller the temperature distribution is from inside to outside, .4 the vibration measurement of acoustic shock effect under different cavitation numbers is carried out. Experimental study on the effect of cavitation Acoustic shock effect on Coal temperature and Gas seepage. Different cavitation numbers can produce different cavitation concentrated audio frequency. The main cavitation sound frequency affecting the temperature and stress of coal body is 2000Hz0 6000Hz.The experimental results show that the thermal effect of acoustical shock of cavitation makes the temperature increase by 4 ~ 5 degrees Celsius, which is in good agreement with the results of numerical simulation. The permeability of coal decreases with the increase of cavitation number, and the relationship between permeability and cavitation number is fitted.
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TD311;TD821

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