高压水射流作用下煤体瓦斯渗流特性研究

发布时间：2020-07-19 02:52

【摘要】：我国地质条件复杂,煤矿安全形式严峻。在机械化水平提升与开采规模持续扩大的过程中,老矿井浅层位置的资源开始枯竭,其开采深度逐步加强,新井则仅能够向深部拓展,煤层中的压力及瓦斯含量都不断加大;开采技术较以往种类更多,极为复杂,现在发生突出事故有两个特点,一是瓦斯煤层,随采面深度增加,地应力与瓦斯都加强,开始升级到突出煤层,在缺乏足够防御手段的情况下,极其容易产生事故;二是当前瓦斯与原有煤生成突出煤层,由于相应的防御手段执行力度不强或者对于特殊地质条件下所采用的手段不合适而引起事故。通过煤体瓦斯渗流方程的归纳总结,在此基础上提出了高压水射流作用在煤体之后的瓦斯渗流方程,并对煤体的力学性质,孔隙结构和瓦斯对煤体的吸附性进行了分析,通过一系列对比试验可以得出,不同煤层,变质程度不同,孔隙度也不相同,在高压水的作用下,煤层的孔隙结构再次发育,增加了煤层中气体流动的路径,提高了气体的渗透性;在固定围压的情况下,煤体中气体的渗透率随着孔隙压力的变大反映出一个先下降后上升的状态,在此期间孔隙压力有一个转折点,瓦斯渗透率曲线在转折点两边基本对称,成“U”字形变化;在孔隙压力一定时,随着围压的增大,煤层中瓦斯渗透率变小,在模拟水射流作用煤体之后,相比没有水射流作用下,二者的渗透特性的变化规律基本相似,只是在作用之后的渗透率数值上升比较明显;同时研究了含水率对渗透率的影响,在高压水的作用下,增加了煤体内水分的含量,而水分进入煤体之后,会占据渗流与运移通道,增加了瓦斯流动的阻力,降低了渗透率,此时,水分对煤体的瓦斯渗流产生了反作用,此为水分对瓦斯渗流产生抑制的一面。但是煤层注入高压水之后,水的压力使煤体内部的裂隙再次发育,增加了煤体的透气性,是瓦斯的渗透率上升,相比煤体的透气性,水分的影响可以忽略。
【学位授予单位】：华北理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD712
【图文】：

瓦斯突出,事故

图 1 瓦斯突出事故全国分布图Fig. 1 Provinces distribution of coal mine accidents然而现阶段突出事故有两个特性，一是原有正常煤层，随着矿井采面的加深，气体压力和应力也会增加，逐步就会变为有突出危险的煤层，在防突措施不到位时发生意外；二是原有的煤与瓦斯突出煤层，由于相应的防御手段执行力度不强或者对于特殊地质条件下所采用的手段不合适而引起事故。尤其是后一种情况，在地应力、采动应力的双重作用下，矿井出现应力主导型、冲击地压诱导型事故的可能性大幅提高，即便瓦斯的含量经测量处于安全范围内，也有可能出现严重的事故，灾害防治工作的重要性日益突出。这种事故的根源有两点，其一：出现突出的原理比较复杂，一旦出现高应力，现有的技术无法有效界定形成事故的条件，难以及时地采取有效措施；其二，如果开采部位较深，应力、地温均比较高，该部位瓦斯的赋存形式和解吸、运移规律尚未完全了解。很多这样的深井，尽管瓦斯的浓度比较低，但其形成的压力却是比较大的，还有部分深井则存在煤和瓦斯突出的吨煤瓦斯

结构图,射流,结构图

2.1 水射流结构经过短短几十年的发展，水射流技术日趋成熟，在各个行业领域都有广发的应用。但是，对于高压水是如何把煤岩进行破坏，这个理论没有形成一个统一的认识。以为到目前为止，没有了解整个破坏的过程。因为破碎过程作用时间非常短，而在短暂的过程中又涉及到流体、固体、气体和流固耦合等众多学科。考虑到使用高压水射流达到煤块破碎目的的机制尚未全面揭示出来，并且这一过程和一系列的因素有关，因此高压水射流破碎理论研究的步伐跟不上实践的发展，相关理论和技术的发展也因此受限。上世纪以来，Prandtl 课题组全面且深入的探究了射流的构造和规律，并在此基础上形成一套理论，他们对射流结构的科研成果也得到了后人的赞同；1974年，Yanaida 课题组创新性地通过几何画图表征射流的特点，其后又很多人进过大量的实验，得到了一个在国际上比较公认的结构图，如下图 2 所示[48]。

孔隙分布,孔隙分布,课题组

图 3 煤中孔隙分布Fig. 3 The pore distribution of coal来看，学者们在研究煤的孔隙结构时，采取的角度终的结果也是不一致的[65-67]。Girish 课题组以煤的应用化学联合会（IUPAC）提出的分类标准受到了在研究时都应用了这一标准[3]。霍多特[68,69]对工艺孔隙分类；秦勇课题组重点探讨了高煤级孔隙结南部煤矿的煤层孔隙结构也进行了研究，抚顺煤结构作了很多分析研究。在结合以前的研究成果，纳，见表 2。表 2 煤体孔径结构划分方案Table 2 Coal pore diameter structure division scheme微孔（nm）过渡孔（nm）中孔（nm）

【参考文献】