高压气液两相射流瞬态动力破煤特性及微观致裂机制研究

发布时间：2017-07-30 19:20

  本文关键词：高压气液两相射流瞬态动力破煤特性及微观致裂机制研究

  更多相关文章： 水力割缝 气液两相射流 瞬态动力 破煤性能 微观致裂

【摘要】：煤矿瓦斯已经成为我国煤炭安全、高效开采的重大隐患,而水力割缝技术以效果显著、实用性强等特点成为了煤层卸压增透,强化瓦斯抽采,预防煤矿瓦斯事故发生的主要方法之一。但目前的水力割缝技术存在射流破煤割缝能力偏低,工作系统压力较高,系统设备稳定性差等问题。为此,本文在现有水力割缝技术基础上,提出了高压气液两相射流割缝技术,并采用设备研发、理论分析和实验室试验等方法,对高压气液两相射流的瞬态动力冲击特性、破煤性能及微观破煤机制进行了研究,取得主要研究成果如下:(1)研究了高压气液两相射流的基本结构及其瞬态动力冲击特性,建立了高压气液两相射流的数学模型,并推导出了射流轴心冲击动压的计算公式,对影响射流冲击动压的主要因素进行了分析。研究发现,高压气液两相射流能够在冲击区域表面形成局部脉冲射流,产生纵向和横向上的脉冲冲击;射流含气率、射流初始压力、冲击靶距和喷嘴直径是影响高压气液两相射流冲击动压的主要因素。(2)设计研发了高压气液两相射流割缝技术试验系统,并利用此试验系统对影响高压气液两相射流破煤性能的主要因素展开了试验研究。试验发现,射流压力和射流含气率是影响高压气液两相射流破煤性能的关键参数,而冲击靶距和喷嘴直径的影响较为次要;若使高压气液两相射流的破煤效果最好、效率最高,需要保证出流水压Pw≥12MPa,射流含气率在30%~35%范围内,冲击靶距在200mm~250mm范围内,喷嘴直径约为3.9mm;另外,煤岩体的孔隙度对高压气液两相射流的冲蚀破煤性能也有很大影响,煤岩体的孔隙度越大,射流的破煤效率越高。(3)分别对淹没和非淹没射流条件下的高压气液两相射流和纯水射流的破煤性能进行了对比试验研究,并从射流冲击能量和冲击频率的角度进行了对比分析。试验发现,在淹没与非淹没条件下,高压气液两相射流的破煤性能普遍优于纯水射流,与纯水射流相比,射流的平均冲孔直径增大了近2倍,平均冲孔深度提高了约25%,冲击破碎试样的时间缩短了约75%,破碎试样的门限压力降低了25%~50%;在较高射流压力(P≥14MPa)条件下,含气率对高压气液两相射流的破煤性能影响显著,含气率在30%~40%范围内的高压气液两相射流的破煤效果最好,冲击能量和冲击频率最大,而且均大于纯水射流,射流冲击频率的最大值约是纯水射流的2倍。(4)研究分析了煤体受高压气液两相射流冲击时其内部的应力分布状况,试验测试了高压气液两相射流冲击破碎煤体时,煤体表面宏观裂隙的扩展规律及其动态破碎过程。研究发现,高压气液两相射流冲击煤体时,产生由纵波、横波和瑞利表面波组成的应力波,并以射流接触点为中心呈半球面状向煤体内传播;根据煤体的宏观破碎特征和破碎过程的高速摄像分析,可以将煤体内部的损伤裂隙分为周向裂纹、径向裂纹和扇形裂隙三种类型,将高压气液两相射流冲击破碎煤体的过程分为Ⅰ微观裂隙萌生阶段、Ⅱ微观裂隙扩展阶段和Ⅲ宏观裂隙扩展阶段等三个阶段;射流冲击动载产生的应力波作用和煤岩体裂隙内气-液-固三相耦合作用共同造成了煤体发生阶跃式破碎。论文研究成果对于了解高压气液两相射流的破煤性能和微观致裂机制,优化射流关键参数,改进和完善水力割缝卸压增透技术具有重要的理论和实际意义。研究期间发表相关中文核心论文1篇,国家授权发明专利2项,实用新型专利3项。
【关键词】：水力割缝 气液两相射流 瞬态动力 破煤性能 微观致裂
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD712.6
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-19
• 变量注释表19-21
• 1 绪论21-29
• 1.1 研究背景及意义21-23
• 1.2 国内外研究现状23-26
• 1.3 存在的主要问题26
• 1.4 研究主要内容及思路26-27
• 1.5 主要研究工作及进展27-29
• 2 高压气液两相射流的瞬态动力学特性和冲击动压影响因素分析29-38
• 2.1 高压气液两相射流的基本结构及瞬态动力学特性29-31
• 2.2 高压气液两相射流的数学模型及其冲击动压影响因素分析31-36
• 2.3 本章小结36-38
• 3 高压气液两相射流破煤性能的影响因素试验研究38-52
• 3.1 试验系统设计及试验材料制备38-44
• 3.2 高压气液两相射流关键参数优化分析44-46
• 3.3 射流关键参数对射流破煤性能的影响分析46-51
• 3.4 本章小结51-52
• 4 高压气液两相射流与纯水射流破煤性能对比分析52-69
• 4.1 非淹没射流条件下的破煤性能对比52-57
• 4.2 淹没射流条件下的破煤性能对比57-61
• 4.3 高压气液两相射流与纯水射流的冲击能量对比61-64
• 4.4 高压气液两相射流与纯水射流的冲击频率对比64-68
• 4.5 本章小结68-69
• 5 高压气液两相射流破煤微观致裂机制试验研究69-84
• 5.1 煤岩动态响应分析69-70
• 5.2 煤岩动态破碎及裂纹扩展规律试验研究70-79
• 5.3 高压气液两相射流破煤模型及微观致裂机制研究79-82
• 5.4 本章小结82-84
• 6 结论与展望84-87
• 6.1 主要结论84-85
• 6.2 主要创新点85-86
• 6.3 研究展望86-87
• 参考文献87-93
• 作者简历93-95
• 学位论文数据集95

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 朱兴元;姜伟明;;底吹工艺中气液两相间的质量传输[J];钢铁研究;1988年03期

2 边秋力;气液两相泵及其在发酵饲料行业中的应用[J];粮油加工与食品机械;1998年01期

3 余中柱;气液两相流体流动时的压力测量[J];实验室研究与探索;1989年03期

4 罗锐;杨献勇;王洲;;水平或小坡度上坡管气液两相塞状流模型[J];油田地面工程;1990年03期

5 黄玉华,陈毓琛,沈自求;用化学法测定单气泡运动时的气液两相接触面积[J];大连工学院学报;1983年02期

6 陈家琅,陈惟岐;非圆形通道中气液两相的铅直向上流动[J];国外油田工程;1994年04期

7 张友波;杨静;周祥;唐平;田雅军;;气液两相管流工艺计算软件的研制和应用[J];油气储运;2006年10期

8 戴真全;;气液两相管道振动的分析和改进[J];化工设备与管道;2010年03期

9 毛伟,余碧君;产水气井气液两相瞬变流动分析[J];新疆石油地质;2000年06期

10 陈家琅;定向井中的倾斜气液两相管流[J];大庆石油地质与开发;1990年02期

中国博士学位论文全文数据库 前4条

1 付英杰;水下气液两相喷射推进技术数值模拟研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

2 刘杨;T形管内气液两相泡状与环状流的相分离数值模拟[D];大连理工大学;2011年

3 王天祥;气液旋转涡轮分离器的研究[D];中国石油大学;2008年

4 王铁峰;气液（浆）反应器流体力学行为的实验研究和数值模拟[D];清华大学;2004年

，

本文编号：595794