高压脉动水力锤击对煤体介质损伤致裂特性的研究

发布时间：2017-07-15 21:17

  本文关键词：高压脉动水力锤击对煤体介质损伤致裂特性的研究

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【摘要】：高瓦斯、低透气性煤层中扩大瓦斯排放范围是提高瓦斯抽采率核心所在,煤层脉动注水致裂技术是在常规注水致裂技术的基础上提出的一种新的瓦斯治理技术,该技术通过作用在煤壁上周期变化的力,引起煤体发生收缩-膨胀-收缩变形,累积损伤产生疲劳效应,改变注水孔周围煤体裂隙结构,增大了注水影响范围,改善煤层注水状况,驱替出煤体中的瓦斯,对低透气性的煤的安全开采有重要意义。本文采用理论分析、数值模拟和相似试验相结合的方法对煤层脉动注水技术开展了较为系统的研究。首先,在前人研究基础上总结分析了脉动注水水压在煤体中的传播规律,分析了脉动水压载荷对煤体的影响,结合断裂力学和损伤力学的理论,分析了含有孔隙、裂隙等缺陷煤体的强度及其在脉动载荷作用下煤体的损伤变形规律,并分析了煤层注水中的水气驱替原理;其次运用ANSYS动力模块分析了脉动注水过程中煤体全程应力、位移变化规律;模拟结果表明:为了取得最优的注水致裂效果,应在满足设备运行的前提下,尽可能提高脉动载荷幅值、载荷差和频率;再次,分析了煤层注水过程中的渗流-应力耦合过程,引入多孔介质有效应力概念描述煤体骨架颗粒间的作用力,分析了不同因素对煤层注水效果的影响。模拟结果表明:为了取得较好的煤层注水效果,必须保证一定的注水时间和注水压力;脉动水压载荷对煤体造成损伤,形成的裂隙扩大了有效注水面积,注水效果提升明显;最后设计了注水对煤体介质损伤致裂的物理模拟试验,对三种不同的煤样进行了水压致裂试验,初步试验结果表明:注水对煤体产生了不可逆损伤,距离注水孔越远,损伤量越小;在载荷类型相同时,载荷越大,损伤量也越大;潘三煤样的脉动注水量比静压注水量高80%,初步说明了脉动注水技术的优势。通过试验验证了数值模拟的正确性。
【关键词】：脉动注水 水压致裂 疲劳损伤 数值模拟 相似试验
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-16
• 变量注释表16-18
• 1 绪论18-26
• 1.1 研究意义18-19
• 1.2 煤层注水技术及渗流研究概况19-23
• 1.3 研究存在的不足及课题的提出23
• 1.4 主要研究内容23-25
• 1.5 本章小结25-26
• 2 脉动注水对煤体物理力学性质的影响及水气驱替机理26-36
• 2.1 脉动水压在煤体中的传播规律26-28
• 2.2 脉动载荷诱发煤体产生疲劳损伤28-31
• 2.3 脉动注水渗流场-应力场耦合场分析31-34
• 2.4 煤层注水中的水气驱替机理34-35
• 2.5 本章小结35-36
• 3 脉动载荷诱发煤体损伤变形的数值模拟36-48
• 3.1 数值模型36-40
• 3.2 模拟方案设计40
• 3.3 模拟结果及分析40-46
• 3.4 本章小结46-48
• 4 煤层高压脉动注水的数值模拟48-64
• 4.1 ANSYS实体建模48-49
• 4.2 数值模拟49-52
• 4.3 模拟结果分析52-63
• 4.4 本章小结63-64
• 5 注水对煤体损伤致裂特性影响的试验研究64-84
• 5.1 试验依据及试验方案64
• 5.2 静压试验台介绍64-68
• 5.3 高压脉动试验台介绍68-74
• 5.4 试验结果及分析74-80
• 5.5 高压脉动水力锤击对煤体作用的理论分析80-82
• 5.6 本章小结82-84
• 6 总结及展望84-86
• 6.1 主要结论84-85
• 6.2 展望85-86
• 参考文献86-90
• 作者简历90-92
• 学位论文数据集92

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 孟昭君;颜世华;赵正均;;2BZ-40/12型脉冲式煤层注水泵的应用[J];煤矿安全;2006年09期

2 张晓梅;宋维源;;煤岩双重介质注水驱气渗流的理论研究[J];煤炭学报;2006年02期

3 由然;;国际煤层气开发各有千秋[J];中国石油企业;2006年06期

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本文编号：545796