钻孔水射流冲击动力破煤岩增透机制及其应用研究

发布时间：2017-10-20 10:03

  本文关键词：钻孔水射流冲击动力破煤岩增透机制及其应用研究

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【摘要】：目前,我国煤矿井下瓦斯以钻孔抽采为主,由于多数煤层具有微孔隙、低渗透率、高吸附的特征,煤层瓦斯抽采十分困难,严重制约了煤、气的高效开采。钻孔水射流增透技术是促进瓦斯抽采的有效措施之一,在煤矿现场得到了广泛应用。然而,目前针对水射流破煤岩特性及增透机制的理论研究滞后于实际应用,现场工艺技术的改进缺乏必要的理论支撑,亟待进一步研究和完善。本文以水射流增透技术在矿井瓦斯抽采中的应用为工程背景,采用理论分析、物理试验、数值模拟和现场测试等方法,深入研究了钻孔内水射流的冲击特性和破煤岩机制,提出了新的水射流增透方法,并对其影响范围及增透机制进行了分析,取得的主要研究成果如下:(1)借助压汞、甲烷吸附和核磁共振实验,研究了高突煤层的孔隙结构与吸附特征及其对水射流冲击的响应机制。结果表明:高突煤层的孔隙发育程度较低,孔间连通性较差,结构较为密实;半开放性微、小孔大量发育,使得煤体对瓦斯的吸附能力较强,而开放性中、大孔发育较少,缺少渗流通道的瓦斯难以抽采;水射流的冲击作用改善了高突煤层的孔隙结构,使得煤中微、小孔的含量减少,中、大孔的含量增加。(2)建立了水射流冲击高速摄像试验系统,研究了水射流冲击钻孔表面的流体形态和结构特征,揭示了钻孔内水射流的冲击动力学特性。结果表明:与冲击平面相比,水射流冲击钻孔瞬间即在接触点产生一个“水垫”,冲击稳定后“水垫”的厚度增加,反射流体的面积增大,且反射角度明显大于平面;相同水射流在钻孔表面形成的速度和压力峰值较小,但侵入煤体后速度和压力下降较为缓慢,对煤体具有更长的破坏作用时间。在试验研究的基础上,理论推导了水射流冲击产生的水锤作用区域长度和作用时间公式,并从动量角度建立了水射流冲击钻孔的作用力计算模型。(3)建立了水射流破煤岩试验系统,研究了水射流压力和靶距对破煤岩特性的控制作用,分析了水射流破煤岩的时效特性和热效应,揭示了钻孔内水射流的破煤岩机理。结果表明:水射流压力越高,冲击能力越强,相同时间内形成的冲击坑深度和面积越大;随着靶距的增加,水射流冲击能力减弱,试块破裂度提高,破裂时的冲击坑深度和面积增大;与冲击平面相比,水射流冲击钻孔形成的冲击坑深度较小、面积较大,冲击至破裂的时间较长;从损伤和能量角度描述了孔内水射流破煤岩过程与机制,孔内水射流破煤岩实质上是一个冲击-损伤破坏过程,是冲击载荷和准静态压力共同作用的结果,本质上是水射流动能转化为煤岩体内能的过程。(4)建立了钻孔径向渗透率模型,分析了钻孔直径对径向增透率的影响,证明了增加钻孔直径是提高煤层径向增透率的有效途径,提出了大直径穿层钻孔的水射流成孔方法。通过数值模拟研究了水射流钻孔对煤体裂隙演化的影响,分析了水射流钻孔的影响半径和最佳间距,结果表明,随着钻孔直径的增加,周围煤体的张应力增大,钻孔间的相互作用增强,次生裂隙增多,钻孔抽采的有效区半径提高;穿层钻孔的抽采有效区半径可以采用拟合关系式0 0 01.108 ln()3.612IR(28)-r r(10)r计算,也可以用塑性区半径的2倍进行估算。(5)建立了含孔煤体双轴加载试验系统,研究了含孔煤体受载特征及损伤机制,从增加卸压范围、改善孔隙结构、形成裂隙网络和强化孔间影响四个角度,描述了水射流钻孔对煤体的协同增透机制。针对突出煤层的自喷特性和区域煤体存在的抽采薄弱区,提出了水射流钻孔协同抽采模式,并在平煤集团十二矿进行了工业性试验。现场试验结果表明:采用水射流钻孔协同抽采模式后,预抽高突煤层煤巷条带瓦斯的穿层钻孔数量减少了32.5%,穿层钻孔长度减少了42.9%,煤巷区域的消突效果显著,高突煤巷掘进速度提高近1倍。论文研究期间发表学术论文20篇,第一作者论文5篇(SCI论文1篇,EI论文3篇);申请国家发明专利19项,已授权14项;获得省部级科学技术奖3项(一等奖1项、二等奖2项)。
【关键词】：瓦斯抽采 煤层增透 穿层钻孔 破煤岩 水射流
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD712.6
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-10
• Extended Abstract10-27
• 变量注释表27-29
• 1 绪论29-41
• 1.1 研究背景及意义29-31
• 1.2 国内外研究现状31-36
• 1.3 存在的主要问题36-37
• 1.4 主要研究内容37-38
• 1.5 总体研究思路38-39
• 1.6 主要进展及成果39-41
• 2 高突煤层结构特征及其水射流冲击响应41-64
• 2.1 煤样选取及其组分特征41-44
• 2.2 高突煤层的孔隙特征44-52
• 2.3 高突煤层的吸附特征52-60
• 2.4 水射流对高突煤层孔隙结构的影响60-63
• 2.5 本章小结63-64
• 3 孔内水射流冲击动力学特性64-84
• 3.1 圆形紊动水射流特征64-67
• 3.2 水射流冲击钻孔的流态演化67-71
• 3.3 水射流冲击钻孔的力学演化71-75
• 3.4 水射流冲击钻孔的动力学模拟75-82
• 3.5 本章小结82-84
• 4 孔内水射流破煤岩特性84-105
• 4.1 水射流冲击试验系统及方案84-88
• 4.2 射流压力对破煤岩特性的控制作用88-93
• 4.3 冲击靶距对破煤岩特性的控制作用93-98
• 4.4 水射流破煤岩的时效特性98-100
• 4.5 水射流破煤岩的热效应100-103
• 4.6 孔内水射流破煤岩机制103-104
• 4.7 本章小结104-105
• 5 水射流钻孔对煤体的径向增透机制105-131
• 5.1 钻孔径向增透研究105-110
• 5.2 水射流钻孔成孔方法110-111
• 5.3 水射流钻孔对煤体裂隙演化的影响111-123
• 5.4 水射流钻孔对抽采有效区的影响123-129
• 5.5 本章小结129-131
• 6 含孔煤体受载损伤特性131-155
• 6.1 煤体加载试验系统及方案131-135
• 6.2 含孔煤体受载特征及损伤机制135-139
• 6.3 含孔试块受载特性的尺度效应139-143
• 6.4 含孔试块受载特性的空间效应143-148
• 6.5 含孔试块受载特性的耦合效应148-152
• 6.6 水射流钻孔协同增透机制152-154
• 6.7 本章小结154-155
• 7 水射流钻孔区域增透现场试验155-175
• 7.1 平顶山矿区特点及试验矿井概况155-159
• 7.2 水射流钻孔对区域瓦斯治理的影响159-169
• 7.3 水射流钻孔协同抽采模式169-170
• 7.4 现场试验170-173
• 7.5 本章小结173-175
• 8 结论、创新点及展望175-178
• 8.1 主要结论175-176
• 8.2 创新点176-177
• 8.3 展望177-178
• 参考文献178-191
• 作者简历191-195
• 学位论文数据集195

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本文编号：1066660