钻孔水射流冲击特性及其增透作用研究

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随着近年来浅部资源枯竭,我国煤矿开采深度逐年增加,加上煤层赋存条件影响,矿井瓦斯问题成为限制我国矿山安全发展的主要问题之一。钻孔水射流技术在井下瓦斯抽采应用十分广泛,对实现煤层瓦斯高效抽采具有现实意义。但目前针对钻孔水射流冲击特性以及增透作用的相关理论研究滞后于快速进步的现场应用技术,限制了钻孔水射流技术进一步高效化、智能化发展。本文以钻孔水射流增透技术在矿井瓦斯抽采中的应用为背景,采用理论分析、数值模拟、实验研究等方法,围绕钻孔环境下水射流的冲击特性与卸压增透作用开展研究,取得的主要研究成果如下:(1)建立了气-液两相耦合数值模拟模型,利用数值模拟结果探讨了不同压力以及不同淹没状态下钻孔水射流的发展变化规律,研究了接触面形状和淹没状态对钻孔射流流场和冲击力的影响。对水射流冲击钻孔表面的受力情况进行了理论分析,结果得出水射流冲击过程不仅与射流速度、工作液体密度等因素有关,也与反射流离开该表面的角度以及轴心流速有关。在经验公式的基础上推导出水射流作用于钻孔和平面上冲击力作用模型,并通过模拟结果对该模型的合理性进行了验证。该模型可为水射流技术参数优化提供参考,也可为进一步深入研究提供理论基础。(2)建立了水射流冲击实验系统,基于钻孔水射流的结构特征和微裂纹扩展条件,建立了钻孔环境下水射流的破煤岩模型,确定了影响水射流破煤岩性能的关键参数。分析了反射角对水射流破坏能力的影响特性,验证了钻孔条件下水射流作用效果的特殊性。根据实验结果总结出水射流冲击下,煤岩体发生损伤破坏的根本诱因来源于外部的冲击载荷(动载)及内部的孔压载荷(静载),主导破坏的载荷形式不同将影响煤岩体的破坏特征。钻孔水射流对煤岩体的破坏形式以动静载结合的复合作用为主,其特点在于既可以在高压力、低靶距下快速劈裂煤体结构,也可以在低压力、高靶距下将射流冲击应力进一步传导到煤岩体内部,造成更多裂隙通道,达到卸压增透的效果。(3)通过理论分析建立了钻孔水射流径向渗透率模型,确定了影响钻孔水射流增透效果的关键参数,并通过正交实验设计研究了各因素对水射流冲击钻孔破坏效果的影响程度,进行了显著性排序和优化组合。根据全文研究结果归纳了钻孔水射流四协同增透机制,提出一种大直径瓦斯抽采钻孔成孔装置及方法,采用该装置与方法可以实现煤矿井下大直径抽采钻孔的一次成孔并保证成孔效果,提高有效抽采半径。论文研究期间发表文章4篇,以通讯作者和第二作者身份发表2篇(SCI论文一篇,EI论文一篇);申请国家发明专利4项,授权3项。论文共有图56幅,表12个,参考文献71篇。
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