钻孔与煤层夹角对水力冲孔效果影响规律研究及应用
发布时间：2021-10-05 15:37
煤与瓦斯突出灾害严重威胁着煤矿的安全开采,水力冲孔卸压增透技术可以有效提高瓦斯抽采效果、减少煤层残余瓦斯含量。然而,目前钻孔倾角对钻孔周围煤岩体的应力演化及瓦斯运移律的影响尚不清楚。基于此背景,本文以梁北煤矿为实验矿井,研究了不同倾角钻孔周围煤岩体的应力和瓦斯参数演化规律。取得的主要成果和结论如下:根据Hoek-Brown破坏准则,分析了孔洞周围煤体的应力分布,建立了破碎区和塑性区的半径计算方程,在多物理场耦合理论的基础上,结合渗流理论和弹塑性力学,考虑钻孔周围煤体骨架变形对瓦斯流动的影响,建立了含瓦斯煤体流固耦合控制方程。根据带有不同倾角钻孔的试件在单轴压缩条件下的变化特征,得出随着钻孔倾角的降低,在相同的应力作用下,试件的应变逐渐增加,试件的抗压强度与钻孔倾角有着一定的线性关系。应用COMSOL多物理场模拟软件模拟分析了不同出煤量、不同钻孔倾角条件下,钻孔周围煤体瓦斯与应力分布演化规律。模拟结果表明:随着出煤量的增加,钻孔冲孔半径增大,钻孔周围煤层瓦斯压力下降较快,钻孔的有效影响范围增加,但是增加的幅度越来越小。随着钻孔倾角的减小,钻孔的有效影响范围逐渐增大,增长的幅度逐渐增加,在...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
研究思路与技术路线
硕士学位论文82水力冲孔卸压增透机理研究2Studyonthemechanismofhydraulicflushingtorelievepressureandincreaseinfiltration本章从高压水射流结构特性、破煤机理、冲孔后钻孔周围煤岩体应力分布三个方面对水射流的破煤增透预抽理论进行相关的分析；通过煤岩体变形控制方程、瓦斯运移控制方程、孔隙率和渗透率演化方程建立了钻孔抽采条件下的煤层水力冲孔卸压增透理论模型。2.1水射流结构特征与破煤机理（Structurecharacteristicsofwaterjetandcoalbreakingmechanism）2.1.1结构特性高压水射流技术自上个世纪八十年代传入我国，因为其独特的优越性，被广泛应用于煤矿的瓦斯防治领域，近年来随着我国水射流技术的发展和我国煤炭工业的发展，水射流为煤矿的安全生产提供了有力保障。日本学者Yanaida和Ohashi[70]最早研究了高压水射流的结构特性，现在国内研究者利用高速摄像机技术为我们展现了水射流过程中的形态变化[71-73]，并详细描述了各个阶段射流的形态特征，优化并完善了非淹没射流几何结构，将水射流划分为紧密段、核心段、破裂段和消散段，如图2-1所示[73-76]。图2-1射流结构特征图Figure2-1Characteristicchartofjetstructure
2水力冲孔卸压增透机理研究111大规模生产爆破、产生严重扰动2.2.2水力冲孔周围煤体力学分析由于井下地层煤岩体属于受载不均匀并且内部结构也多样的特殊介质，迄今为止，我们尚没有完全掌握钻孔周围煤体的应力分布规律。使用高压水进行作业时，高压水流破碎煤体并将大量的煤体带出钻孔，此活动打破了原有的应力平衡，使得钻孔周围的煤体应力释放，并重新分布，为了研究冲孔之后的钻孔周围的应力特征，忽略中间主应力的影响，并不考虑影响范围内煤体的自重，将钻孔周围的应力变化简化为一个均质平面圆环变形问题。高压水冲击煤体，使得钻孔周围煤体破碎，剩余煤体的孔隙率增加。在地应力和高压水作用下，原生煤体发生破碎，将完全破碎煤体所构成的区域称为破碎区，破碎区之外的部分煤体，在地应力的作用下，其物理性质发生变化，在去掉载荷之后，煤体无法恢复到初始的状态，将这部分煤体所组成的区域称为塑性区，塑性区之外的煤体所受到的地应力大致等于煤岩体初始应力，将这部分区域称为弹性区。各区分布如图所示。图2-2钻孔周围煤体应力分布图Figure2-2Stressdistributionofcoalaroundboreholes根据弹性力学相关知识，冲孔之后钻孔周围煤体的力学平衡微分方程为：r=(2-5)式中：为切向有效应力，MPa；为径向有效应力，MPa。钻孔周围煤体的应变方程满足：==(2-6)式中为钻孔的径向应变，为钻孔的切向应变，为径向位移。ru
【参考文献】：
期刊论文
[1]深孔爆破切顶条件下巷旁支护墙宽度研究[J]. 侯公羽,胡涛,李柱和,陈建鹏,谢冰冰,崔永科,李子祥. 煤矿安全. 2019(08)
[2]碎软煤层顺层钻孔水力割缝增透技术研究[J]. 王正帅. 煤炭科学技术. 2019(08)
[3]稳压约束下钻孔倾角对煤体抗压强度影响实验研究[J]. 双海清,赵艳军,林海飞,李树刚,赵鹏翔,丁洋. 采矿与安全工程学报. 2019(04)
[4]低透气性松软煤层增透技术研究现状及高能气体压裂新技术[J]. 张小军,廖文德,邹云辉,钟勇林. 能源与环保. 2018(11)
[5]深井远距离上保护层开采卸压效果研究[J]. 李思乾. 煤矿安全. 2018(10)
[6]深部采区低渗透性煤层CO2致裂增透试验研究[J]. 任云峰. 煤矿开采. 2018(05)
[7]高压水射流破碎煤体过程及应力变化规律的数值分析[J]. 蒋一峰,杜锋,刘昂,王亮,辛程鹏. 矿业安全与环保. 2018(04)
[8]煤与瓦斯突出能量预测模型及其在平煤矿区的应用[J]. 李成武,付帅,解北京,张明杰,董利辉,王菲茵,薛洪来. 中国矿业大学学报. 2018(02)
[9]高压水射流冲蚀作用下页岩破坏模式与力学机制[J]. 盛茂,田守嶒,李根生,葛洪魁,廖华林,李召坤. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2017(11)
[10]特厚低透气性煤层水力压裂强化抽采技术应用研究[J]. 狄存绪. 能源与环保. 2017(10)
博士论文
[1]磨料水射流结构特性与破岩机理研究[D]. 王明波.中国石油大学 2007
硕士论文
[1]高压水射流结构与磨料分布特性的研究[D]. 于超.燕山大学 2012
本文编号：3420043
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
研究思路与技术路线
硕士学位论文82水力冲孔卸压增透机理研究2Studyonthemechanismofhydraulicflushingtorelievepressureandincreaseinfiltration本章从高压水射流结构特性、破煤机理、冲孔后钻孔周围煤岩体应力分布三个方面对水射流的破煤增透预抽理论进行相关的分析；通过煤岩体变形控制方程、瓦斯运移控制方程、孔隙率和渗透率演化方程建立了钻孔抽采条件下的煤层水力冲孔卸压增透理论模型。2.1水射流结构特征与破煤机理（Structurecharacteristicsofwaterjetandcoalbreakingmechanism）2.1.1结构特性高压水射流技术自上个世纪八十年代传入我国，因为其独特的优越性，被广泛应用于煤矿的瓦斯防治领域，近年来随着我国水射流技术的发展和我国煤炭工业的发展，水射流为煤矿的安全生产提供了有力保障。日本学者Yanaida和Ohashi[70]最早研究了高压水射流的结构特性，现在国内研究者利用高速摄像机技术为我们展现了水射流过程中的形态变化[71-73]，并详细描述了各个阶段射流的形态特征，优化并完善了非淹没射流几何结构，将水射流划分为紧密段、核心段、破裂段和消散段，如图2-1所示[73-76]。图2-1射流结构特征图Figure2-1Characteristicchartofjetstructure
2水力冲孔卸压增透机理研究111大规模生产爆破、产生严重扰动2.2.2水力冲孔周围煤体力学分析由于井下地层煤岩体属于受载不均匀并且内部结构也多样的特殊介质，迄今为止，我们尚没有完全掌握钻孔周围煤体的应力分布规律。使用高压水进行作业时，高压水流破碎煤体并将大量的煤体带出钻孔，此活动打破了原有的应力平衡，使得钻孔周围的煤体应力释放，并重新分布，为了研究冲孔之后的钻孔周围的应力特征，忽略中间主应力的影响，并不考虑影响范围内煤体的自重，将钻孔周围的应力变化简化为一个均质平面圆环变形问题。高压水冲击煤体，使得钻孔周围煤体破碎，剩余煤体的孔隙率增加。在地应力和高压水作用下，原生煤体发生破碎，将完全破碎煤体所构成的区域称为破碎区，破碎区之外的部分煤体，在地应力的作用下，其物理性质发生变化，在去掉载荷之后，煤体无法恢复到初始的状态，将这部分煤体所组成的区域称为塑性区，塑性区之外的煤体所受到的地应力大致等于煤岩体初始应力，将这部分区域称为弹性区。各区分布如图所示。图2-2钻孔周围煤体应力分布图Figure2-2Stressdistributionofcoalaroundboreholes根据弹性力学相关知识，冲孔之后钻孔周围煤体的力学平衡微分方程为：r=(2-5)式中：为切向有效应力，MPa；为径向有效应力，MPa。钻孔周围煤体的应变方程满足：==(2-6)式中为钻孔的径向应变，为钻孔的切向应变，为径向位移。ru
【参考文献】：
期刊论文
[1]深孔爆破切顶条件下巷旁支护墙宽度研究[J]. 侯公羽,胡涛,李柱和,陈建鹏,谢冰冰,崔永科,李子祥. 煤矿安全. 2019(08)
[2]碎软煤层顺层钻孔水力割缝增透技术研究[J]. 王正帅. 煤炭科学技术. 2019(08)
[3]稳压约束下钻孔倾角对煤体抗压强度影响实验研究[J]. 双海清,赵艳军,林海飞,李树刚,赵鹏翔,丁洋. 采矿与安全工程学报. 2019(04)
[4]低透气性松软煤层增透技术研究现状及高能气体压裂新技术[J]. 张小军,廖文德,邹云辉,钟勇林. 能源与环保. 2018(11)
[5]深井远距离上保护层开采卸压效果研究[J]. 李思乾. 煤矿安全. 2018(10)
[6]深部采区低渗透性煤层CO2致裂增透试验研究[J]. 任云峰. 煤矿开采. 2018(05)
[7]高压水射流破碎煤体过程及应力变化规律的数值分析[J]. 蒋一峰,杜锋,刘昂,王亮,辛程鹏. 矿业安全与环保. 2018(04)
[8]煤与瓦斯突出能量预测模型及其在平煤矿区的应用[J]. 李成武,付帅,解北京,张明杰,董利辉,王菲茵,薛洪来. 中国矿业大学学报. 2018(02)
[9]高压水射流冲蚀作用下页岩破坏模式与力学机制[J]. 盛茂,田守嶒,李根生,葛洪魁,廖华林,李召坤. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2017(11)
[10]特厚低透气性煤层水力压裂强化抽采技术应用研究[J]. 狄存绪. 能源与环保. 2017(10)
博士论文
[1]磨料水射流结构特性与破岩机理研究[D]. 王明波.中国石油大学 2007
硕士论文
[1]高压水射流结构与磨料分布特性的研究[D]. 于超.燕山大学 2012
本文编号：3420043
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