低透煤割缝弱化松弛机理及流固耦合特性研究

发布时间：2018-01-07 04:17

  本文关键词：低透煤割缝弱化松弛机理及流固耦合特性研究　出处：《中国矿业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：我国煤气资源丰富,而瓦斯渗透率低是制约我国绝大部分煤层煤气高效共采的关键因素。水射流割缝是有效的层内增透方法,能显著提高煤层瓦斯抽采效率,在煤矿井下得到了广泛的应用。但是,针对水射流割缝强化瓦斯抽采机理研究不够深入,并且主要以现场试验和数值分析为主,对动静荷载耦合下割缝煤体破裂行为及含瓦斯煤割缝流固耦合特性方面的研究较少。本文以煤矿井下水射流割缝增透技术为工程背景,采用实验室试验、数值模拟、理论分析和现场试验相结合的方法,以低透煤数值和物理重构为基础,从割缝煤体弱化特征及细观机制、射流冲击-地应力耦合作用下煤松弛机理、含瓦斯煤割缝流固耦合特性和割缝预抽后煤宏-微观参数变化机制等方面,综合阐明了低透煤割缝弱化松弛机理及流固耦合特性,取得主要研究成果如下：(1)提出了灰色田口-响应面法-马氏距离多参数多目标优化方法,为快速地物理和数值重构低透煤提供了一种有效的途径。通过因素筛选实验获得了煤宏观参数(抗压强度、弹性模量和泊松比)的主控细观参数,采用响应面法建立了煤的宏-细观参数模型,基于煤的宏-细观模型并结合约束条件,可以快速地找到与目标相匹配的细观参数集。(2)根据钻杆转动和来回抽拉的组合,对割缝方式进行了归纳；采用孔槽比和缝槽倾角描述了不同割缝方式下缝槽的形态特征,建立了40种缝槽形态的几何模型,得到了割缝煤体抗压强度、弹性模量和泊松比随孔槽比和缝槽倾角的变化规律。提出了“缝槽弱化度”来定量描述割缝煤体力学性能的弱化程度,通过线性插值得到了基于不同指标定义下的缝槽弱化度图谱。借助颗粒流原理,构建了与物理实验相对应的数值模型,揭示了割缝煤体破裂的细观力学模式及细观参数的变化特征,指出了缝槽通过控制煤的细观特征来改变宏观参数,进而呈现煤割缝力学性能弱化的现象。(3)实现了射流冲击-地应力耦合下煤松弛的物理模拟。实验监测到的振动加速度信号与射流冲击过程及试样的松弛过程存在较好的一致性。7MPa射流冲击诱发振动加速度有效值是钻进诱发的13.15倍,射流的扰动能力远远大于钻进的；引入“平均幅值”和“质心频率”来定量描述了振动加速度信号的频域特征。通过“平均幅值”定义的“射流扰动度”定量描述了射流冲击对受载煤体的扰动作用。基于射流冲击过程中受载煤体轴向和侧向压力的变化,定义了“轴向松弛度”和“侧向松弛度”来定量描述煤的松弛现象。阐明了射流冲击角度和侧压系数对轴向和侧向松弛度的影响规律,揭示了射流冲击-地应力耦合下煤的松弛机理。(4)实现了真实地应力环境下含瓦斯煤割缝的物理模拟。煤体内监测点处的气体压力和煤体的变形密切相关。试样内部监测点处的垂向应变和平行应变表现出割缝松弛变形和解吸收缩变形的变化特征。采用割缝前最终变形量、极限变形量和瓦斯扩散参数定量描述了煤-瓦斯的耦合特征,并探讨了瓦斯压力和缝槽半径对含瓦斯煤流固耦合特性的影响规律。(5)基于测试方法的敏感性和准确性,提出了有机结合液氮吸附实验和压汞实验的孔隙表征方法,阐明了距割缝孔不同距离处煤样的孔径分布及各孔容段变化规律,揭示了割缝预抽后煤的吸附性能的变化特征,指出了割缝预抽后割缝孔周围呈现出明显的分区特征：变化显著区、变化过渡区和变化不显著区。探究了割缝预抽后残余瓦斯含量、瓦斯放散初速度和煤坚固性系数的变化规律。通过灰色关联分析,指出割缝预抽控制煤的微观参数来改变其宏观参数。(6)提出了基于煤层原始瓦斯含量和压力的有效抽采半径判定指标,确定了现场实验条件下割缝孔的有效抽采半径。与原有的5m布孔间距相比,布孔间距为6m、7m和8m的割缝孔单孔纯流量分别提高了3.86、2.04和2.20倍。高压水射流割缝能够显著改善煤体透气性,从而大幅度提高瓦斯抽采效率。本文研究成果对现场割缝方式、缝槽倾角及孔槽比的选择、割缝器的设计、不同地应力和瓦斯压力下割缝的实施、割缝后瓦斯流量的变化规律的揭示和割缝增透机理的深入剖析具有重要的理论和实践指导意义。论文研究期间,共发表学术论文15篇,其中以第一作者发表学术论文8篇(SCI检索4篇,EI检索2篇)；申请发明专利21项,其中授权发明专利10项；获省部级奖3项。
[Abstract]:In this paper , the main research results are as follows : ( 1 ) The main control meso parameters of coal seam with low permeability of coal seam are analyzed by means of laboratory test , numerical simulation , theoretical analysis and field test . ( 4 ) The physical simulation of coal seam under real earth stress environment is realized . The gas pressure at the monitoring points in coal is closely related to the deformation of coal body .

【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
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本文编号：1390947