抽采钻孔孔周裂隙扩展机理及其检测技术研究
发布时间：2022-02-21 07:36
煤矿井下钻孔瓦斯抽采是矿井瓦斯治理的重要手段。为提高瓦斯抽采效果,要求抽采钻孔封孔段以里孔周裂隙扩展尽量充分,封孔段孔周裂隙封堵尽量严实。然而,由于目前抽采钻孔孔周裂隙扩展衡量困难,裂隙扩展机理仍不明确,造成了井下瓦斯增透抽采及注浆密封施工中主要依赖经验,缺乏有效理论指导。为此,本文采用理论分析、实验室试验及现场测试等方法,分析了各因素对抽采钻孔孔周裂隙扩展的影响规律;通过确定裂隙扩展过程中的超声波特征参数提出了抽采钻孔孔周裂隙超声波检测方法,对煤矿井下抽采钻孔设计、施工及检测具有重要的理论和工程意义。论文的主要内容包括:（1）对钻孔孔周的应力情况进行分析,采用极限平衡理论结合Mohr-Coulomb与统一强度准则,理论推导了钻孔孔周的应力分布,得到了孔周极限平衡区范围。考虑钻孔与巷道交叉三维几何条件,建立了应力重分布影响下的抽采钻孔孔周应力计算模型,得到了钻孔在巷道影响下孔周三维应力分布,获得了抽采钻孔孔周三维破坏分布规律。（2）为研究抽采钻孔孔周裂隙扩展机制,采用非接触式全场应变监测系统获得含孔试样破坏的图像序列,计算得到试样表面的位移,系统分析了孔周不同角度的径向位移及环向位移,...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：167 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
主要符号表
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 抽采钻孔孔周弹塑性应力分布规律
1.2.2 抽采钻孔孔周煤岩体裂隙扩展机理
1.2.3 水-煤岩耦合孔周裂隙扩展机理研究
1.2.4 抽采钻孔孔周裂隙扩展检测技术研究
1.2.5 存在的主要问题
1.3 研究内容
1.4 研究方法和技术路线
2 应力重分布影响的孔周应力分布特征
2.1 煤岩基本力学参数测定
2.1.1 试样制备及实验装置
2.1.2 N1206工作面煤样力学特性测试结果
2.2 抽采钻孔孔周应力分布的特性分析
2.2.1 抽采钻孔孔周应力分布的影响因素
2.2.2 抽采钻孔孔周应力研究的基本假定
2.3 抽采钻孔孔周极限平衡区范围
2.3.1 Mohr-Coulomb强度准则的孔周极限平衡范围
2.3.2 Hoek-Brown强度准则的孔周极限平衡范围
2.3.3 统一强度准则的孔周极限平衡范围
2.4 抽采钻孔孔周应力重分布的极限平衡区范围
2.4.1 钻孔与巷道交叉模型的计算方法
2.4.2 钻孔与巷道交叉模型的应力分布特征
2.4.3 钻孔与巷道交叉模型的孔周极限平衡区范围
2.5 本章小结
3 不同应力状态的抽采钻孔孔周裂隙扩展规律
3.1 抽采钻孔孔周破坏模拟试验
3.1.1 抽采钻孔孔周破坏模拟试验设计
3.1.2 抽采钻孔孔周变形观测方法
3.1.3 抽采钻孔孔周破坏试验及结果
3.2 抽采钻孔孔周破坏的变形演化规律
3.2.1 孔周破坏应力状态分区方法
3.2.2 抽采钻孔孔周破坏的应力状态分区
3.2.3 抽采钻孔孔周破坏的裂纹分布
3.2.4 抽采钻孔孔周径向位移演化规律
3.2.5 抽采钻孔孔周环向位移演化规律
3.2.6 抽采钻孔孔周裂隙扩展机理
3.3 抽采钻孔孔周破坏的应力演化
3.3.1 抽采钻孔孔周表面应力反演模型
3.3.2 应力反演参数选取及验证
3.3.3 抽采钻孔孔周渐进性破坏的表面应力演化规律
3.4 抽采钻孔孔周沿轴方向应力与裂隙分布特征
3.4.1 抽采钻孔孔周应力分布特征
3.4.2 抽采钻孔孔周裂隙分布特征
3.5 本章小结
4 抽采钻孔孔周水－岩耦合裂隙扩展规律
4.1 抽采钻孔孔周水－岩耦合裂隙扩展规律试验研究
4.1.1 抽采钻孔孔周水－岩耦合试样制备过程
4.1.2 抽采钻孔孔周水－岩耦合裂隙扩展试验结果
4.2 抽米钻孔孔周水－煤岩親合表面变形规律
4.2.1 抽采钻孔孔周水－岩耦合径向变形演化规律
4.2.2 抽采钻孔孔周水－岩耦合环向变形演化规律
4.3 抽采钻孔孔周水－岩耦合裂隙扩展演化规律
4.3.1 抽采钻孔周典型应力演化规律
4.3.2 抽采钻孔周水－岩耦合应力演化规律
4.4 本章小结
5 抽采钻孔孔周水－岩耦合裂隙扩展的超声波特征
5.1 抽采钻孔孔周水－岩耦合超声波试验过程
5.2 抽采钻孔孔周裂隙扩展超声波功率谱密度分析
5.2.1 功率谱密度的计算方法
5.2.2 抽采钻孔周裂隙扩展的功率谱密度演化规律
5.2.3 抽采钻孔周水－岩耦合裂隙扩展功率谱密度演化规律
5.3 抽采钻孔孔周裂隙扩展超声波波形分析
5.3.1 波形相似度计算方法
5.3.2 抽采钻孔孔周裂隙扩展的波形演化规律
5.3.3 抽采钻孔孔周水-岩耦合裂隙扩展波形演化规律
5.4 抽采钻孔孔周裂隙扩展的等效宽度
5.4.1 抽采钻孔孔周裂隙等效宽度的计算方法
5.4.2 抽采钻孔孔周裂隙等效宽度计算修正
5.4.3 抽采钻孔孔周破坏过程中的等效裂隙宽度演化
5.5 本章小结
6 抽采钻孔孔周裂隙检测技术及其在封孔质量检测的应用
6.1 抽采钻孔孔周裂隙检测技术
6.1.1 抽采钻孔孔周裂隙检测原理
6.1.2 抽采钻孔孔周裂隙检测装置设计
6.1.3 基于孔周裂隙检测的封孔质量检测与评价方法
6.2 抽采钻孔封孔质量现场检测试验
6.2.1 N1206及N2106工作面概况
6.2.2 井下封孔质量检测步骤
6.3 抽采钻孔封孔质量检测结果与分析
6.3.1 封孔质量检测的波形分析
6.3.2 封孔质量检测的功率谱密度分析
6.3.3 N1206及N2106工作面回风顺槽封孔质量检测结果
6.4 本章小结
7 结论
7.1 结论
7.2 创新点
7.3 展望
致谢
参考文献
附录
1 在研期间发表学术论文
2 在研期间参与科研项目
3 应力反演主要源程序
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国煤层气产业政策评价研究[J]. 郑德志. 煤炭经济研究. 2019(01)
[2]煤及共伴生资源精准开采科学问题与对策[J]. 袁亮. 煤炭学报. 2019(01)
[3]真三轴应力条件下钻孔围岩稳定性及塑性区特性[J]. 尹光志,鲁俊,李星,刘超,李铭辉,马波. 煤炭学报. 2018(10)
[4]碎软煤层瓦斯抽采钻孔孔壁稳定性分析[J]. 刘建林,刘飞,李泉新,方俊. 煤矿安全. 2018(08)
[5]模拟煤层钻进过程中钻孔稳定性试验研究[J]. 韩颖,张飞燕,刘少飞. 中国安全生产科学技术. 2018(07)
[6]松软破碎煤层瓦斯抽采钻孔失稳机理分析及加固技术[J]. 张英. 煤炭科学技术. 2018(07)
[7]含孔试样渐进性破坏的表面变形特征[J]. 张天军,张磊,李树刚,张超,宋爽,包若羽. 煤炭学报. 2017(10)
[8]基于Mohr-Coulomb准则的含瓦斯煤层巷帮侧塑性区宽度的探讨[J]. 孙路路,程卫民,武猛猛,韦守朋,王刚. 采矿与安全工程学报. 2017(05)
[9]固-气耦合作用下瓦斯抽采钻孔破裂规律研究[J]. 肖福坤,张峰瑞,刘刚,樊慧强,王一斐. 煤矿开采. 2016(04)
[10]基于Hoke-Brown准则的瓦斯抽采钻孔稳定性分析及封孔技术[J]. 李松涛,孙玉宁,王永龙,刘春. 安全与环境学报. 2016(03)
博士论文
[1]缓倾斜煤层采动卸压瓦斯储运优势通道演化机理及应用[D]. 双海清.西安科技大学 2017
[2]钻孔水射流冲击动力破煤岩增透机制及其应用研究[D]. 高亚斌.中国矿业大学 2016
[3]无煤柱煤与瓦斯共采中抽采钻孔采动破坏机理研究[D]. 薛飞.中国矿业大学 2015
[4]松软煤层瓦斯抽采钻孔塌孔失效特性及控制技术基础[D]. 刘春.中国矿业大学 2014
[5]煤层水力压裂裂缝扩展规律及瓦斯抽采钻孔优化研究[D]. 康向涛.重庆大学 2014
[6]钻孔封孔段失稳机理分析及加固式动态密封技术研究[D]. 张超.中国矿业大学 2014
[7]综放开采覆岩裂隙演化与卸压瓦斯运移规律及工程应用[D]. 林海飞.西安科技大学 2009
[8]富含瓦斯煤岩体采掘失稳非线性力学机理研究[D]. 张天军.西安科技大学 2009
[9]煤岩体水力致裂弱化的理论与应用研究[D]. 黄炳香.中国矿业大学 2009
[10]复合关键层下采场压力及煤层瓦斯渗流耦合规律研究[D]. 潘宏宇.西安科技大学 2009
硕士论文
[1]余吾煤矿掘进工作面千米钻机抽采钻孔稳定性与优化布置研究[D]. 王飞.太原理工大学 2017
[2]高压弯头裂纹缺陷的超声波检测[D]. 段有福.西安石油大学 2015
[3]相邻及孤岛工作面防水隔离煤柱留设理论基础研究[D]. 师维刚.西安科技大学 2015
[4]瓦斯抽采钻孔开孔参数测量系统设计与实现[D]. 田炎鑫.煤炭科学研究总院 2014
[5]小波分析在岩样破裂声发射检测中的应用[D]. 马锐.西安科技大学 2013
[6]层理岩石声学特性及其爆炸荷载作用下损伤特征试验研究[D]. 王文冰.中国地质大学（北京） 2009
[7]材料缺陷的超声波时间反转定位方法研究[D]. 陈妍.哈尔滨理工大学 2009
[8]基于超声波技术的岩体稳定性研究[D]. 沈志华.辽宁工程技术大学 2004
本文编号：3636797
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：167 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
主要符号表
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 抽采钻孔孔周弹塑性应力分布规律
1.2.2 抽采钻孔孔周煤岩体裂隙扩展机理
1.2.3 水-煤岩耦合孔周裂隙扩展机理研究
1.2.4 抽采钻孔孔周裂隙扩展检测技术研究
1.2.5 存在的主要问题
1.3 研究内容
1.4 研究方法和技术路线
2 应力重分布影响的孔周应力分布特征
2.1 煤岩基本力学参数测定
2.1.1 试样制备及实验装置
2.1.2 N1206工作面煤样力学特性测试结果
2.2 抽采钻孔孔周应力分布的特性分析
2.2.1 抽采钻孔孔周应力分布的影响因素
2.2.2 抽采钻孔孔周应力研究的基本假定
2.3 抽采钻孔孔周极限平衡区范围
2.3.1 Mohr-Coulomb强度准则的孔周极限平衡范围
2.3.2 Hoek-Brown强度准则的孔周极限平衡范围
2.3.3 统一强度准则的孔周极限平衡范围
2.4 抽采钻孔孔周应力重分布的极限平衡区范围
2.4.1 钻孔与巷道交叉模型的计算方法
2.4.2 钻孔与巷道交叉模型的应力分布特征
2.4.3 钻孔与巷道交叉模型的孔周极限平衡区范围
2.5 本章小结
3 不同应力状态的抽采钻孔孔周裂隙扩展规律
3.1 抽采钻孔孔周破坏模拟试验
3.1.1 抽采钻孔孔周破坏模拟试验设计
3.1.2 抽采钻孔孔周变形观测方法
3.1.3 抽采钻孔孔周破坏试验及结果
3.2 抽采钻孔孔周破坏的变形演化规律
3.2.1 孔周破坏应力状态分区方法
3.2.2 抽采钻孔孔周破坏的应力状态分区
3.2.3 抽采钻孔孔周破坏的裂纹分布
3.2.4 抽采钻孔孔周径向位移演化规律
3.2.5 抽采钻孔孔周环向位移演化规律
3.2.6 抽采钻孔孔周裂隙扩展机理
3.3 抽采钻孔孔周破坏的应力演化
3.3.1 抽采钻孔孔周表面应力反演模型
3.3.2 应力反演参数选取及验证
3.3.3 抽采钻孔孔周渐进性破坏的表面应力演化规律
3.4 抽采钻孔孔周沿轴方向应力与裂隙分布特征
3.4.1 抽采钻孔孔周应力分布特征
3.4.2 抽采钻孔孔周裂隙分布特征
3.5 本章小结
4 抽采钻孔孔周水－岩耦合裂隙扩展规律
4.1 抽采钻孔孔周水－岩耦合裂隙扩展规律试验研究
4.1.1 抽采钻孔孔周水－岩耦合试样制备过程
4.1.2 抽采钻孔孔周水－岩耦合裂隙扩展试验结果
4.2 抽米钻孔孔周水－煤岩親合表面变形规律
4.2.1 抽采钻孔孔周水－岩耦合径向变形演化规律
4.2.2 抽采钻孔孔周水－岩耦合环向变形演化规律
4.3 抽采钻孔孔周水－岩耦合裂隙扩展演化规律
4.3.1 抽采钻孔周典型应力演化规律
4.3.2 抽采钻孔周水－岩耦合应力演化规律
4.4 本章小结
5 抽采钻孔孔周水－岩耦合裂隙扩展的超声波特征
5.1 抽采钻孔孔周水－岩耦合超声波试验过程
5.2 抽采钻孔孔周裂隙扩展超声波功率谱密度分析
5.2.1 功率谱密度的计算方法
5.2.2 抽采钻孔周裂隙扩展的功率谱密度演化规律
5.2.3 抽采钻孔周水－岩耦合裂隙扩展功率谱密度演化规律
5.3 抽采钻孔孔周裂隙扩展超声波波形分析
5.3.1 波形相似度计算方法
5.3.2 抽采钻孔孔周裂隙扩展的波形演化规律
5.3.3 抽采钻孔孔周水-岩耦合裂隙扩展波形演化规律
5.4 抽采钻孔孔周裂隙扩展的等效宽度
5.4.1 抽采钻孔孔周裂隙等效宽度的计算方法
5.4.2 抽采钻孔孔周裂隙等效宽度计算修正
5.4.3 抽采钻孔孔周破坏过程中的等效裂隙宽度演化
5.5 本章小结
6 抽采钻孔孔周裂隙检测技术及其在封孔质量检测的应用
6.1 抽采钻孔孔周裂隙检测技术
6.1.1 抽采钻孔孔周裂隙检测原理
6.1.2 抽采钻孔孔周裂隙检测装置设计
6.1.3 基于孔周裂隙检测的封孔质量检测与评价方法
6.2 抽采钻孔封孔质量现场检测试验
6.2.1 N1206及N2106工作面概况
6.2.2 井下封孔质量检测步骤
6.3 抽采钻孔封孔质量检测结果与分析
6.3.1 封孔质量检测的波形分析
6.3.2 封孔质量检测的功率谱密度分析
6.3.3 N1206及N2106工作面回风顺槽封孔质量检测结果
6.4 本章小结
7 结论
7.1 结论
7.2 创新点
7.3 展望
致谢
参考文献
附录
1 在研期间发表学术论文
2 在研期间参与科研项目
3 应力反演主要源程序
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国煤层气产业政策评价研究[J]. 郑德志. 煤炭经济研究. 2019(01)
[2]煤及共伴生资源精准开采科学问题与对策[J]. 袁亮. 煤炭学报. 2019(01)
[3]真三轴应力条件下钻孔围岩稳定性及塑性区特性[J]. 尹光志,鲁俊,李星,刘超,李铭辉,马波. 煤炭学报. 2018(10)
[4]碎软煤层瓦斯抽采钻孔孔壁稳定性分析[J]. 刘建林,刘飞,李泉新,方俊. 煤矿安全. 2018(08)
[5]模拟煤层钻进过程中钻孔稳定性试验研究[J]. 韩颖,张飞燕,刘少飞. 中国安全生产科学技术. 2018(07)
[6]松软破碎煤层瓦斯抽采钻孔失稳机理分析及加固技术[J]. 张英. 煤炭科学技术. 2018(07)
[7]含孔试样渐进性破坏的表面变形特征[J]. 张天军,张磊,李树刚,张超,宋爽,包若羽. 煤炭学报. 2017(10)
[8]基于Mohr-Coulomb准则的含瓦斯煤层巷帮侧塑性区宽度的探讨[J]. 孙路路,程卫民,武猛猛,韦守朋,王刚. 采矿与安全工程学报. 2017(05)
[9]固-气耦合作用下瓦斯抽采钻孔破裂规律研究[J]. 肖福坤,张峰瑞,刘刚,樊慧强,王一斐. 煤矿开采. 2016(04)
[10]基于Hoke-Brown准则的瓦斯抽采钻孔稳定性分析及封孔技术[J]. 李松涛,孙玉宁,王永龙,刘春. 安全与环境学报. 2016(03)
博士论文
[1]缓倾斜煤层采动卸压瓦斯储运优势通道演化机理及应用[D]. 双海清.西安科技大学 2017
[2]钻孔水射流冲击动力破煤岩增透机制及其应用研究[D]. 高亚斌.中国矿业大学 2016
[3]无煤柱煤与瓦斯共采中抽采钻孔采动破坏机理研究[D]. 薛飞.中国矿业大学 2015
[4]松软煤层瓦斯抽采钻孔塌孔失效特性及控制技术基础[D]. 刘春.中国矿业大学 2014
[5]煤层水力压裂裂缝扩展规律及瓦斯抽采钻孔优化研究[D]. 康向涛.重庆大学 2014
[6]钻孔封孔段失稳机理分析及加固式动态密封技术研究[D]. 张超.中国矿业大学 2014
[7]综放开采覆岩裂隙演化与卸压瓦斯运移规律及工程应用[D]. 林海飞.西安科技大学 2009
[8]富含瓦斯煤岩体采掘失稳非线性力学机理研究[D]. 张天军.西安科技大学 2009
[9]煤岩体水力致裂弱化的理论与应用研究[D]. 黄炳香.中国矿业大学 2009
[10]复合关键层下采场压力及煤层瓦斯渗流耦合规律研究[D]. 潘宏宇.西安科技大学 2009
硕士论文
[1]余吾煤矿掘进工作面千米钻机抽采钻孔稳定性与优化布置研究[D]. 王飞.太原理工大学 2017
[2]高压弯头裂纹缺陷的超声波检测[D]. 段有福.西安石油大学 2015
[3]相邻及孤岛工作面防水隔离煤柱留设理论基础研究[D]. 师维刚.西安科技大学 2015
[4]瓦斯抽采钻孔开孔参数测量系统设计与实现[D]. 田炎鑫.煤炭科学研究总院 2014
[5]小波分析在岩样破裂声发射检测中的应用[D]. 马锐.西安科技大学 2013
[6]层理岩石声学特性及其爆炸荷载作用下损伤特征试验研究[D]. 王文冰.中国地质大学（北京） 2009
[7]材料缺陷的超声波时间反转定位方法研究[D]. 陈妍.哈尔滨理工大学 2009
[8]基于超声波技术的岩体稳定性研究[D]. 沈志华.辽宁工程技术大学 2004
本文编号：3636797
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/anquangongcheng/3636797.html
