發(fā)布時(shí)間：2018-12-08 09:49

【摘要】：煤炭是我國(guó)最為重要的能源,在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著關(guān)鍵位置,為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供強(qiáng)大的動(dòng)力。隨著我國(guó)對(duì)能源需求的增加和淺部煤炭資源的枯竭,目前我國(guó)煤炭資源開(kāi)采正向深部發(fā)展,據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)煤礦開(kāi)采深度以每年10m-12m的速度向下延伸,隨著煤炭開(kāi)采深度的增加,煤層所受地應(yīng)力等增大,造成了煤層瓦斯逸散通道被壓縮,從而使得煤層透氣性減小、瓦斯含量增大,尤其是近年來(lái)高松軟、高地應(yīng)力、高瓦斯及低透氣性煤層的增多,給煤礦開(kāi)采帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。瓦斯抽放是減小煤層瓦斯含量最為有效的措施,對(duì)減少煤層瓦斯含量具有重要的作用。而我國(guó)的低透氣煤層占據(jù)大多數(shù),對(duì)煤礦瓦斯抽采帶來(lái)了較大難度。而目前的一些煤層增透方法如水力壓裂、水力沖孔及深孔預(yù)裂爆破等由于各自的限制條件,對(duì)煤層增透效果具有較大的差異性,極大地影響這些技術(shù)的推廣。因此,研究能量大、操作簡(jiǎn)單的煤層增透新方法顯得至關(guān)重要。本文基于這一現(xiàn)狀,提出采用高壓電脈沖技術(shù)對(duì)煤層進(jìn)行增透的新方法,對(duì)于提高煤層透氣性具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值�；诟邏弘娒}沖在石油增產(chǎn)、礦物加工等領(lǐng)域中的應(yīng)用,本文建立了高壓電脈沖對(duì)煤體作用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),分析了不同參數(shù)高壓電脈沖對(duì)不同強(qiáng)度試樣作用特征,研究了不同強(qiáng)度試樣在作用過(guò)程中的變形特征、破裂特征和聲發(fā)射特性,并分析了高壓電脈沖技術(shù)對(duì)煤體的作用效果,提出了高壓電脈沖對(duì)煤體作用機(jī)理,提出了高壓電脈沖技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的具體方式、方法,指出了高壓電脈沖現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備研制方法,對(duì)該技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具有重要意義。研究成果主要有以下幾點(diǎn):(1)調(diào)整水泥、沙子配比制作了三種不同高強(qiáng)度試樣,即1:3高強(qiáng)度試樣、1:4高強(qiáng)度試樣和1:5高強(qiáng)度試樣,同時(shí)以水泥、沙子為主料,以石膏、發(fā)泡劑等制作相似試樣和特殊試樣,并制作了相似試樣,測(cè)試其單軸抗壓強(qiáng)度、泊松比、彈性模量等,結(jié)果表明其力學(xué)性質(zhì)與相似煤樣相近,并采用預(yù)埋應(yīng)變片等形式制作試樣以備后期實(shí)驗(yàn)需要。(2)建立了高壓電脈沖對(duì)煤體作用系統(tǒng),該系統(tǒng)包括高壓電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、放電電極及觸發(fā)開(kāi)關(guān)、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)等其他配件,并建立了應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)、聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng),其作用流程為工頻電壓經(jīng)過(guò)中頻整流器整流成600V、1000Hz中頻電流,再經(jīng)高壓硅堆升壓為幾十kV的高頻電流,高頻電流經(jīng)觸發(fā)開(kāi)關(guān)、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)等向放電電極傳輸電能,當(dāng)電壓值達(dá)到門檻值時(shí),電極放電對(duì)煤體進(jìn)行作用。(3)采用建立的高壓電脈沖對(duì)煤體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試了1:3、1:4和1:5三種不同高強(qiáng)度樣在不同參數(shù)條件下的破裂特征,結(jié)果表明當(dāng)電壓為13kV、40μF時(shí),1:4高強(qiáng)度試樣在作用1次后完全破碎,當(dāng)電壓為11kV、20μF時(shí),1:4高強(qiáng)度試樣在作用8次后呈現(xiàn)大裂隙,當(dāng)電壓為11kv、10μf時(shí)1:5高強(qiáng)度試樣在經(jīng)過(guò)12次作用后產(chǎn)生明顯裂隙,為分析高壓電脈沖作用過(guò)程中試樣內(nèi)部變形情況,因此采用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為11kv、10μf。(4)制作合適電極及密封腔體,采用爆破測(cè)振儀測(cè)試不同能量、不同方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,結(jié)果顯示z向振動(dòng)速度最大,y向振動(dòng)速度次之,x向振動(dòng)速度最小,說(shuō)明z向是沖擊波傳播方向,且振動(dòng)速度峰值對(duì)應(yīng)主頻率較低,同時(shí)隨著距電極距離減小、能量的增加,各方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度隨之增大。(5)采用fft變換分析不同能量條件下振動(dòng)信號(hào)得出其頻域信號(hào),研究得出不同能量條件下頻率主要集中在0-500hz,其中11kv條件下作用頻率多集中在200hz以內(nèi),而14kv條件下多集中在在300hz以內(nèi),且隨著能量的增加,低頻頻段占比增加。將不同能量條件下沖擊波信號(hào)進(jìn)行eemd分解,得出12個(gè)imf分量及殘余分量,對(duì)于x向信號(hào),imf_h2至imf_h6為優(yōu)勢(shì)頻段,對(duì)于y向信號(hào),imf_h3至imf_h6為優(yōu)勢(shì)頻段,對(duì)于沖擊波傳播方向z向,imf_h3、imf_h4為優(yōu)勢(shì)頻段,而且隨著能量的增加,imf_h4頻段的能量越大。(6)通過(guò)采用參數(shù)為11kv、10μf高壓電脈沖系統(tǒng)對(duì)不同強(qiáng)度試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)于1:3(1#)高強(qiáng)度試樣,經(jīng)過(guò)6次后試樣頂端出現(xiàn)小裂隙、17次后出現(xiàn)明顯裂隙,對(duì)于1:5(3#)高強(qiáng)度試樣,經(jīng)過(guò)7次后試樣頂端出現(xiàn)小裂隙、12次后出現(xiàn)明顯裂隙,對(duì)于堅(jiān)硬煤體試樣,經(jīng)過(guò)14次后出現(xiàn)明顯裂隙,對(duì)于松軟煤體,經(jīng)過(guò)12次作用后出現(xiàn)明顯裂隙,說(shuō)明試樣的強(qiáng)度越大,產(chǎn)生裂隙所需的能量就越大,需要作用次數(shù)就越多。經(jīng)過(guò)高壓電脈沖作用后,試樣會(huì)產(chǎn)生呈對(duì)稱狀的多條裂隙,而對(duì)于強(qiáng)度較大的試樣其破裂過(guò)程經(jīng)過(guò)準(zhǔn)備階段、緩慢發(fā)展階段、快速發(fā)展階段和破壞階段四個(gè)階段,而強(qiáng)度較小試樣則經(jīng)過(guò)多次作用后直接產(chǎn)生明顯裂隙。(7)對(duì)于1:4高強(qiáng)度(2#)試樣來(lái)說(shuō),在存在缺口的情況下,作用30次之后出現(xiàn)明顯裂隙,對(duì)于中硬強(qiáng)度試樣,在存在薄弱面的情況下,僅僅作用2次便產(chǎn)生明顯裂隙,且該試樣與其他試樣的裂隙長(zhǎng)度、寬度變化不大,說(shuō)明封孔的質(zhì)量對(duì)于高壓電脈沖沖擊波傳播具有重要的影響,而且薄弱面的存在有利于試樣裂隙的產(chǎn)生。(8)采用fft、eemd方法對(duì)采集的變形信號(hào)進(jìn)行分析,得出50hz及其倍頻是干擾信號(hào),經(jīng)過(guò)采用eemd分解、濾波后得出其真實(shí)應(yīng)變曲線,結(jié)果表明在高壓電脈沖作用過(guò)程中,試樣內(nèi)部應(yīng)變峰值呈現(xiàn)不規(guī)則變化,且隨著試樣強(qiáng)度的降低,橫向變形增大、縱向變形減小,說(shuō)明試樣強(qiáng)度越低、沖擊波衰減越嚴(yán)重。(9)采用聲發(fā)射測(cè)試作用過(guò)程中試樣破裂特征,結(jié)果表明在作用前期振鈴計(jì)數(shù)較少,隨著作用次數(shù)的增加,振鈴計(jì)數(shù)增加速度加快,而且試樣下部能量大于上部能量。(10)通過(guò)采用小尺度原煤煤樣進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)高壓電脈沖作用后,煤體表面分形維數(shù)增大,煤體滲透率明顯增加,說(shuō)明煤體原有裂隙得到擴(kuò)展并產(chǎn)生新的裂隙,通過(guò)采用大尺度型煤來(lái)模擬極松軟煤體,結(jié)果表明經(jīng)過(guò)高壓電脈沖作用后,煤體頂端表面產(chǎn)生多條明顯裂隙,形成復(fù)雜的裂隙網(wǎng),但縱向長(zhǎng)度較堅(jiān)硬煤體短。同時(shí)極松軟煤體應(yīng)變曲線與高強(qiáng)度試樣相類似,但橫向應(yīng)變、縱向應(yīng)變較高強(qiáng)度試樣變形小。(11)在高壓電脈沖作用過(guò)程中,液電效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)是主要作用方式,而通過(guò)對(duì)煤體進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明高壓電脈沖主要通過(guò)剪切造縫、機(jī)械振動(dòng)等對(duì)煤體進(jìn)行造縫,在作用過(guò)程中,高壓電脈沖沖擊波在重復(fù)作用后會(huì)降低煤體強(qiáng)度、液體會(huì)形成水楔效應(yīng),從而產(chǎn)生更多裂隙,同時(shí)機(jī)械振動(dòng)能夠破壞裂隙中的阻塞物,提高瓦斯流動(dòng)的能力。(12)結(jié)合該技術(shù)在石油領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用,提出了該技術(shù)在煤層增透方面應(yīng)用方式、方法,并根據(jù)煤礦情況將技術(shù)分為地面增透和井下順煤層增透兩種方式,即地面增透作用步驟分為注水、下放設(shè)備作用、多次作用后提升設(shè)備繼續(xù)作用、完成后清井,井下增透作用步驟分為鉆孔、清孔、注水、下放設(shè)備、封孔、多次作用提升設(shè)備作用、清孔。(13)由于石油與煤層瓦斯賦存狀態(tài)不同,因此應(yīng)積極研發(fā)與煤礦環(huán)境相適應(yīng)的高壓電脈沖增透設(shè)備,對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行完善,如對(duì)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行密閉,對(duì)其他設(shè)備添加防爆外殼,采用專用水管或水包的形式解決水環(huán)境等,同時(shí)研發(fā)高性能的傳輸電纜,積極研制設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,綜合分析其對(duì)煤層增透的效果。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TD712.6

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 閆東;巖體內(nèi)靜水壓下高壓脈沖放電爆轟致裂基礎(chǔ)研究[D];太原理工大學(xué);2017年

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本文編號(hào)：2368143