煤巷掘进中脉冲水射流割缝煤体应力场变化规律研究

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突出矿井常用的超前钻孔防突措施由于单孔卸压影响范围小,钻孔数量多,导致施工时间长,煤巷掘进速度慢。脉冲水射流割缝技术可以提高单孔影响范围,但是对割缝后孔槽卸压范围研究很少,导致钻孔布置不合理,影响了整体防突效果和煤巷掘进时间。煤体应力变化对瓦斯抽采有很大的影响,因此以研究煤体应力变化规律确定钻孔割缝后影响范围很有意义。本文理论分析了脉冲水射流割缝卸压作用对煤体应力分布的影响以及应力分布的改变对煤层透气性的影响,模拟了煤巷中地应力、割缝深度、割缝宽度、割缝间距、孔槽布置方式5个因素对煤体应力变化规律的影响,并进行了钻孔布置优化和煤巷现场试验。论文主要研究成果如下:①脉冲水射流割缝后在孔槽周围煤体形成一个椭圆体形状的卸压区;卸压区内应力降低使煤层透气性提高,同时脉冲水射流割缝整体卸压增加掘进工作面卸压区的宽度,减小煤与瓦斯突出的可能性。②揭示了割缝后卸压区内煤体应力变化规律,距离孔槽越远的煤体,对应的应力集中系数越小;当煤体埋深H在200m1000m时,卸压体积和塑性区体积随H增加逐步增长,卸压范围明显增大,割缝深度R在1m3m时,卸压体积随R增加呈指数式增长,割缝宽度d对煤体的卸压效果影响不显著,割缝间距L为2m6m时,卸压体积随割缝间距增加呈倒“V”型分布,说明L值过小和过大都无法到达最优卸压效果;同一水平平行和交叉布置多孔槽,使孔槽的交叉影响区域的卸压范围更大,应力集中系数更小,表明多孔槽实现煤体的整体卸压是可行的;通过均匀设计,得出割缝X、Y、Z方向卸压范围最大值回归公式。③在己16-17—22302工作面进风巷30m40m上帮处进行排放半径试验验证数值模拟效果,在自然排放条件下,有效瓦斯排放半径可达2.5m;根据数值模拟和测试结果,优化钻孔和孔槽布置方案,在己16-17—22302工作面进行脉冲水射流割缝现场工艺试验,试验完成后测试煤层残余瓦斯含量低于8m3/t,达到了卸压防突效果;与普通超前钻孔技术相比,单个循环钻孔数从10个减少到5个,减少了50%,单个循环防突措施执行时间,从8个班到5个班,缩短了37.5%。
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