高压水射流割缝煤体损伤演化规律研究与应用

发布时间：2017-11-28 08:10

本文关键词：高压水射流割缝煤体损伤演化规律研究与应用

【摘要】：煤与瓦斯突出严重威胁煤矿的安全生产,如何以安全、经济的方式消除突出危险性是当前煤与瓦斯突出矿井的迫切要求。瓦斯抽采是极为有效的防突措施,而我国部分煤层抽采效果较差,因此,开展低透性煤层卸压增透的研究及应用具有重要的意义。水力割缝措施通过高压水射流切割煤体,形成一定大小的缝槽,使得缝槽周围一定范围内的煤体发生移动,促进煤体内裂隙发育,减少煤体应力,沟通瓦斯逸散通道,从而达到增强瓦斯抽采效果以及消除突出危险性的目的。但是从目前应用来看,依然存在着破煤机理研究存在缺陷、缝槽影响范围难以确定、工艺费时费力等问题,制约了这项措施的应用与发展。基于以上分析,本文主要研究内容如下:(1)基于煤岩损伤机理,研究了高压水射流结构特性以及破煤理论;采用量纲分析方法研究了高压水射流距离喷嘴不同位置处的射流速度;基于惠更斯波动理论研究了高压水射流破煤过程,建立了高压水射流最大破煤深度的数学模型。(2)基于岩石力学与弹塑性力学,采用FLAC3D数值模拟软件研究了高压水射流破煤所形成的缝槽周围煤体的应力-应变与破坏规律以及各个参数对于煤体卸压效果的影响;研究了不同布孔方式下割缝之间的协同卸压作用;最后建立了水力割缝煤体破坏范围的数学模型。(3)基于计算流体动力学理论,采用FLUENT数值模拟软件对高压水射流流场变化规律以及水射流喷嘴几何参数对射流的影响规律进行了研究;在大量数值模拟的基础上,建立了包含喷嘴参数与压力损耗的喷嘴出口水速数学模型。(4)基于第二章、第三章、第四章的理论与数值模拟研究,建立了包含喷嘴参数、缝槽参数、设备参数在内的缝槽煤体破坏范围数学模型。(5)采用自主设计的高压水射流喷嘴,通过水射流破煤现场试验,研究了喷嘴几何参数以及泵压对破煤效果的影响,优化了水力割缝喷嘴几何参数;考察了水力割缝系统及施工流程、排水排渣系统与封孔工艺;通过现场试验采用压降法考察了水力割缝有效影响范围,设计了水力割缝布孔方案。(6)考察了瓦斯抽采指标与区域消突指标,验证了水力割缝措施对于强化抽采及消突的有效性。高压水射流经过喷嘴喷出后,根据距离喷嘴轴线位置的不同,水射流分为紧密段、核心段、破裂段和水滴段,由于空气的混入,保持喷嘴出口速度的部分越来越小并最终消失;研究了喷嘴出口直径、水压、水射流流量三者的关系,当具有相同的水压时,缩小喷嘴出口直径可以获得更大的射流出口速度,当具有相同的喷嘴出口直径时,要想提高水射流速度,需要增大泵压;分析了目前较为流行的破煤假说,它们对于水射流破煤过程中的一些现象做出了较准确的描述,但是都具有一定的局限性。由于煤体的抗压强度远远大于煤体的抗拉强度以及抗剪强度,因此拉伸破坏与剪切破坏能产生更大的破坏效果;根据动量定理研究了垂直于煤壁入射时,水射流对煤体的冲击压力,表明速度越大,对煤体冲击造成的压力也更大。将连续水射流分为无数段小水柱,分析了小水柱受到的水锤压力,根据量纲分析中的瑞利方法,求得了距离喷嘴不同位置的射流速度;根据惠更斯波动理论,研究了高压水射流与煤体表面作用规律,建立了高压水射流破煤深度数学模型,为现场根据不同煤体参数与设备参数确定割缝深度提供了一种快速计算方法,为后文数值模拟及现场试验提供了参考。FLAC3D全称是快速拉格朗日差分分析法,特别适用于岩土材料的模拟,尤其是在塑性流变特征模拟方面具有优势。基于此,首先分析了所研究区域的地质资料等参数,在满足计算精度与计算机硬件条件的基础上,建立了数值计算模型与水力割缝模型。通过在煤体中形成缝槽,模拟缝槽周围煤体的应力-应变与塑性区域变化规律。缝槽形成后,周围煤体所受X轴方向的应力在X、Y轴方向呈现逐渐变小的趋势,呈对称分布,中心位于缝槽中点处,与Z轴方向的应力分布规律相似。在Y方向切面上呈“蝴蝶”状分布。由于水力割缝冲出的缝槽深度远远大于其宽度,距离缝槽中心点相同距离下,Y方向的应力卸载程度远远大于在X方向和Z方向的卸载程度;缝槽在平行于钻孔的方向煤体处于塑性破坏的区域远远大于垂直于钻孔的方向煤体处于塑性破坏的区域,处在塑性区域的煤体均具有较好的卸压效果。水力割缝的各项参数对水射流破煤效果有不同程度的影响,选择部分割缝参数进行数值模拟研究,所选参数为:喷嘴出口压力、地应力、割缝深度、割缝宽度和割缝间距。(1)喷嘴出口压力:设置压力梯度分别为5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、40MPa。缝槽周围煤体在各个方向上的应力卸载逐渐变大,不同压力梯度下,均呈现了Y方向应力卸载大于其他两个方向,应力卸载与压力梯度呈正比例关系。随着水射流压力的增加,煤体内高应力区域逐步往深部移动,水压从5MPa增加到40MPa过程中,处于塑性区域范围的煤体增长速度呈先快后慢趋势,综合考虑当水射流冲击煤体的压力为30Mpa左右时能取得较好的破煤效果。(2)地应力:由于地应力与埋深呈线性关系,因此用煤层埋深来代替地应力。设置埋深梯度分别为200m、400m、600m、800m、1000m。从缝槽周围煤体在X、Y、Z方向的塑性区域最大值和应力卸载最大值关系图可知,随着埋深的增大,缝槽周围煤体在各个方向的卸压范围也在增加。各个方向的应力卸载最大值均大于其塑性区域最大值,说明在这些区域虽然煤体没有破坏,但是应力仍然有所降低。同时也表明了该措施特别适用于高应力地区。(3)割缝深度:设置割缝深度梯度分别为1m、1.5m、2m、2.5m、3m。随着割缝深度的增加,各个方向的塑性区域最大值都在变大,其中X方向和Z方向的塑性区域最大值几乎重合;另外各个方向的应力释放最大值和应力卸载体积也在不断变大,而且应力卸载体积呈指数增长。对于煤体位移变化情况,随着割缝深度的变大,割缝两侧煤体位移也逐渐变大,割缝两侧位移对比大致相同,方向相反。综合分析,割缝深度对煤体卸压影响较大,建议在可能的情况下尽量提高割缝深度。(4)割缝宽度:设置割缝宽度梯度分别为0.1m、0.2m、0.3m、0.4m。割缝宽度的增加增大了缝槽周围煤体的卸压程度,使得煤体向缝槽移动幅度变大,煤体变形破坏范围更大。另外塑性区域范围增长迅速,当割缝宽度设置为0.1m时,对应的塑性破坏区域范围是0.9m,当割缝宽度设置为0.4m时,塑性区域范围扩大为3.4m,呈现指数增长。说明提高割缝宽度对周围煤体的卸压作用比较明显,但是提高割缝宽度需要增加喷嘴出口直径,从而导致出口水速的减小。(5)缝槽间距:设置缝槽间距梯度分别为2m、3m、4m、5m。缝槽间距设置较小时,缝槽之间存在重复卸压区域。随着缝槽间距的增加,缝槽之间卸压重叠区域逐渐减小,直到5m,缝槽中间位置处的煤体已经无法受到两侧缝槽的影响,此时卸压效果较差。割缝间距在2m~5m范围内增加时,塑性区域体积呈现先增大再减小的趋势,而Y方向应力卸载体积呈现逐步增加的趋势,二者大致呈线性关系。(6)研究了割缝之间的协同卸压作用规律。距离割缝钻孔为3m的抽采钻孔受水力割缝卸压作用明显,因此可以提高瓦斯抽采效果。割缝钻孔交叉布置比平行布置对于煤体的卸压作用更显著。基于前文数值模拟进行的割缝参数对于煤体卸压效果的影响,选择的割缝参数为地应力、割缝深度以及割缝宽度,继续增加了若干组参数交叉的数值模拟。得到了不同参数组合的塑性区域范围,采用MATLAB进行拟合,建立了煤体破坏范围数学模型。采用FLUENT数值模拟软件研究了高压水射流流场变化规律;研究了喷嘴几何参数对高压水射流流场的影响规律。建立了喷嘴数值计算模型,得到了距离轴线不同位置截面上的水速分布曲线,可知在轴线位置处水速最大。射流速度最低的是6D截面位置;对于喷嘴外侧的射流而言,湍流动能较大的区域处在核心区两侧周围,湍流动能较小的区域位于核心区内。在上文数值模拟的基础上,分别研究了喷嘴几何参数对出口水速等参数的影响规律。(1)收缩角:设置的收缩角分别为:13°,30°和60°。从射流的速度等值线图可以看出,三种不同收缩角的喷嘴的最高速度相差并不悬殊。当收缩角为13o时,射流在收缩段持续的加速度时间最长,射流的等速核也最长。综合考虑,收缩角为13°的喷嘴进行破煤效果较好。(2)喷嘴出口直径:设置的喷嘴出口直径分别为1.4mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm。喷嘴出口直径为2mm时,具有最大的轴心速度,并且射流速度衰减较慢。出口直径越大的喷嘴,其轴线压力也越大,二者几乎呈线性关系。(3)直柱段长度:设置的直柱段长度分别为4mm(2D)、8mm(4D)、12mm(6D)、24mm(12D)。轴线上射流的速度和动压在直柱段长度达到24mm时,达到极限状态。直柱段长度为2D时,具有最大的核心区。综合分析,选择直柱段长度为4D或者6D。为了使拟合结果更准确,增加了6个收缩角,分别为0°、20°、50°、90°、120°和180°。增加7个水压,分别为5MPa、10MPa、15MPa、30MPa、40MPa、50MPa和60MPa。通过数值模拟,得到了喷嘴几何参数与出口水速的关系。考虑到管路存在压力损失,为了减少误差,分别考虑了沿程压力损失与局部压力损失,建立了包含喷嘴几何参数和压力损耗等因素的高压水射流喷嘴出口水速数学模型。将前面章节所得数学模型进行综合研究,建立了包含煤体参数、喷嘴参数、设备参数等因素的水力割缝煤体破坏范围数学模型。该模型为现场提供了一种快速确定水力割缝破坏范围的方法。通过高压水射流破煤现场试验,首先对该矿所用喷嘴几何参数与本文研究所得几何参数对破煤效果的影响进行了对比研究,通过测量破煤所形成的孔洞体积,得出本文研究所得几何参数的喷嘴效果更佳,优化了水力割缝喷嘴几何参数。其次考察了泵压对破煤效果的影响,通过测量破煤所形成孔洞的深度,拟合了割缝深度的函数。通过水力割缝有效影响范围现场试验,采用压降法考察了测试孔瓦斯压力变化情况,确定了水力割缝措施有效抽采半径为3m。基于此,设计了水力割缝钻孔布孔方案,避免了抽采盲区,减少了措施工作量。考察了水力割缝施工前后钻孔瓦斯涌出量变化,瓦斯涌出量在割缝时急剧上升,之后又出现回落;对瓦斯抽采量指标进行了跟踪考察,水力割缝后,瓦斯浓度、纯量、抽采量均有不同程度的增加。水力割缝钻孔抽采效果远远优于普通抽采孔。距离水力割缝孔距离的不同,普通抽采孔受水力割缝措施影响程度也不同,某些钻孔增长显著。考察了水力割缝措施的消突效果,采用的消突指标是残余瓦斯含量和残余瓦斯压力。用直接法测量了残余瓦斯含量,四个孔瓦斯含量均不超标。通过间接法考察了残余瓦斯压力,结果均低于临界值,证明该区域消除了突出危险性,从而验证了水力割缝措施的有效性。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD713.3

【参考文献】

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