發(fā)布時間：2018-03-20 02:06

  本文選題：松軟煤體　切入點：高壓水射流　出處：《中國礦業(yè)大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：針對我國松軟低透高瓦斯煤層煤與瓦斯突出危險性大、抽采困難的問題,提出水力沖孔造穴卸壓增透及瓦斯抽采方法,通過順層或穿層鉆孔深入煤層內(nèi)部,采用高壓旋轉(zhuǎn)水射流沖出大量煤體及瓦斯,形成直徑較大的卸壓洞室,為煤體膨脹變形和瓦斯解吸積聚提供充分空間,在洞室周圍煤體形成裂隙網(wǎng)絡(luò),配合瓦斯抽采措施釋放煤體中的彈性潛能和瓦斯膨脹能,進而消除其突出危險性。本文通過理論分析、實驗室實驗、數(shù)值模擬與現(xiàn)場工程試驗相結(jié)合的方法,以臥龍湖礦松軟煤體為研究背景,從洞室周圍煤體塑性區(qū)和應(yīng)力變化兩方面揭示沖孔造穴卸壓機制,測定該應(yīng)力變化條件下松軟煤體物理力學特性和滲透率演化規(guī)律,探究淹沒條件、泵站壓力、噴嘴參數(shù)、旋轉(zhuǎn)速度等對水射流結(jié)構(gòu)和沖擊應(yīng)力的影響,推演高壓水射流沖擊破碎松軟煤體過程,分析射流速度、尺寸、沖擊時間、偏角、平移速度等因素對破煤效果影響,研發(fā)鉆進沖孔一體化裝備并在新景礦開展現(xiàn)場工程試驗。主要得出以下結(jié)論:(1)在松軟煤層中沖孔造穴后,洞室周圍煤體水平應(yīng)力突然降低,垂直應(yīng)力先增大對煤體產(chǎn)生擠壓破壞后向兩側(cè)擴展,隨造穴半徑的增大,各洞室之間逐漸出現(xiàn)垂向應(yīng)力集中和水平應(yīng)力卸載相互疊加,煤體塑性破壞主要是由水平應(yīng)力降低情況下軸向應(yīng)力增大造成,塑性區(qū)是鉆孔的13倍左右。沖孔造穴引起垂向應(yīng)力降低區(qū)擴展的同時增加了應(yīng)力集中程度,垂向應(yīng)力降低區(qū)半徑可超過3.0m,局部應(yīng)力集中系數(shù)可達1.3。水平應(yīng)力卸載效果顯著,卸壓半徑可達到6m,相互疊加后卸壓效果更加明顯。從塑性區(qū)和卸壓范圍考慮,本煤層造穴比穿層造穴效果更好,穿層造穴安全性更高。(2)松軟煤體具有應(yīng)變軟化和塑性流動特性,峰后無應(yīng)力突然跌落現(xiàn)象,峰值強度和彈性模量隨圍壓增大而增大,低圍壓階段塑性流變和損傷擴容現(xiàn)象明顯;孔隙氣體對煤體強度具有弱化作用,吸附態(tài)瓦斯還對煤體產(chǎn)生非力學作用。常規(guī)三軸加載過程中松軟煤體滲透率先降低后增大,在峰值強度前達到最低值,之后隨煤體損傷破壞程度的加劇逐漸增大;恒定差應(yīng)力卸圍壓過程中,滲透率在卸荷點處達到最低值,卸圍壓后煤體強度降低,逐漸出現(xiàn)損傷破壞滲透率增長。(3)高壓水射流沖擊距離和沖擊應(yīng)力受泵站壓力、環(huán)境介質(zhì)、沖擊距離、噴嘴結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)速度等影響存在上限值。沖孔造穴時應(yīng)盡量保持非淹沒射流條件,射流沖擊速率隨泵站壓力增大和噴嘴收縮角減少而逐漸增大,泵壓過大所引起的射流霧化會縮短有效沖擊距離,考慮噴嘴聚能效應(yīng)和長度,收縮角可選24°左右。沖孔造穴需要一定旋轉(zhuǎn)速度,旋轉(zhuǎn)會造成射流偏轉(zhuǎn),前后連續(xù)性和激勵作用減弱從而縮短有效沖擊距離,最好控制在90r/min以內(nèi)。(4)以松軟煤體孔裂隙發(fā)育、物理力學特性以及高壓水射流結(jié)構(gòu)及沖擊應(yīng)力分布規(guī)律為基礎(chǔ),構(gòu)建高壓水射流沖擊破碎煤體耦合模型,推演高壓水射流沖擊作用下煤體損傷破壞過程。水射流沖擊作用力在煤體坑體底部呈馬蹄形分布,應(yīng)力集中位于接觸面下方20~30mm。射流破煤需一定射流速度、尺寸和沖擊時間,隨速度和沖擊時間增加煤體破壞程度增大,低速射流僅引起煤體表面變形;破碎坑體深度和截面積隨射流尺寸增大而增大,尺寸超過一定值(約32mm)后深度變化趨勢變緩,破煤體積增加由截面積擴大引起。煤體損傷破壞區(qū)域隨射流偏角的增大先增大后降低,從形成最大深度洞室考慮,噴嘴應(yīng)與煤體垂直,但從總體破煤效率方面,最佳偏角在45°左右。平移速度在增大射流沖擊破煤面積的同時減弱了射流破煤能力。(5)研發(fā)煤礦井下履帶式鉆進沖孔一體化裝備并實現(xiàn)履帶式聯(lián)動行走,提出沖孔造穴卸壓增透瓦斯抽采及效果考察方案,在新景礦開展現(xiàn)場工程試驗,沖孔破煤及消突效果顯著,本煤層單次造穴沖出煤體0.8~2.5t,平均1.2t,造穴半徑0.46~0.75m,瓦斯抽采量提高了5.6~6.9倍。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD712.6

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本文編號：1637009