超临界CO2气爆爆生气体管内流动及喷孔冲击应力变化规律实验研究

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高瓦斯煤炭资源实现绿色、安全、高效开采的有效途径是对瓦斯进行高效抽采,针对高瓦斯低渗透煤层传统的增透技术的局限性,由此一种新型的低渗高瓦斯煤层超临界CO2气爆增透技术应运而生,但目前对于超临界CO2气爆过程中爆生气体流动规律以及气爆孔射流过程中的冲击应力变化规律仍缺乏较为全面的认识。本文采用理论分析和试验研究相结合的方法,对超临界CO2气爆爆生气体流动及冲击应力变化规律进行研究,主要研究工作及成果如下:使用自主研发的气爆发生装置,自行设计了气爆管和不同喷孔数量的喷嘴进行气爆试验,采用高速采集卡提高试验精度,对不同初始温度和压力下超临界CO2气爆爆生气体流动过程中温度、压力、密度等物性参数的变化规律进行研究。研究结果表明:超临界CO2气爆爆生气体在气爆管内流动全程可分为超临界区、二级相变区和一级相变区三个区域;CO2压力和温度均随流动距离的增加先降低再趋于稳定,且随初始温度和初始压力升高而升高;爆生气体流动过程中CO2密度和粘度变化规律相似,均为随流动距离增加先稳定波动再大幅降低,稳定波动距离随初始温度和初始压力的增加而增加;爆生气体流动速度随流动距离增加呈现脉冲波动的规律,初始温度变化对于流动速度波动的影响大于初始压力。不同喷孔数量的气爆喷嘴射流的冲击应力实验研究结果表明:双孔喷嘴射流的冲击应力变化经历应力激增、应力剧减和应力减速衰减三个阶段,冲击应力时程变化曲线呈脉冲波形曲线特征,冲击应力衰减时间大于激增时间;四孔喷嘴的冲击应力变化经历应力升高、应力激增、应力剧减、应力衰减四个阶段,且冲击应力增加段时长和减少段时长近似相等;冲击应力随初始温度和压力的增大而增加,初始压力变化引起冲击应力变化比初始温度更为明显;对称双孔喷嘴射流的过程中,喷嘴管壁压力情况与冲击应力的规律相似;喷孔面积与喷嘴内截面面积的比值越接近1,冲击应力越大;利用MATLAB拟合实验数据得到了不同喷嘴的冲击应力峰值Pma x与初始温度T’和初始压力P’的公式:Pmax(28)aT’(10)bP’(10)C,初始温度变化对于四孔喷嘴冲击应力峰值影响大于双孔喷嘴,而初始压力变化对于四孔喷嘴冲击应力峰值影响则小于双孔喷嘴。该论文有图84幅,表5个,参考文献74篇。
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