高壓旋轉(zhuǎn)水射流破煤及其沖孔造穴卸壓增透機制與應用.pdf

1、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，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)場工程試驗相結合的方法，以臥龍湖礦松軟煤體為研究背景，從洞

2、室周圍煤體塑性區(qū)和應力變化兩方面揭示沖孔造穴卸壓機制，測定該應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)速度等對水射流結構和沖擊應力的影響，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。主要得出以下結論：
　　（1）在松軟煤層中沖孔造穴后，洞室周圍煤體水平應力突然降低，垂直應力先增

3、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)垂向應力集中和水平應力卸載相互疊加，煤體塑性破壞主要是由水平應力降低情況下軸向應力增大造成，塑性區(qū)是鉆孔的13倍左右。沖孔造穴引起垂向應力降低區(qū)擴展的同時增加了應力集中程度，垂向應力降低區(qū)半徑可超過3.0m，局部應力集中系數(shù)可達1.3。水平應力卸載效果顯著，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

4、全性更高。
　　（2）松軟煤體具有應變軟化和塑性流動特性，峰后無應力突然跌落現(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。<

5、br>　?。?）高壓水射流沖擊距離和沖擊應力受泵站壓力、環(huán)境介質(zhì)、沖擊距離、噴嘴結構、旋轉(zhuǎn)速度等影響存在上限值。沖孔造穴時應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)。
　?。?）以松軟煤

6、體孔裂隙發(fā)育、物理力學特性以及高壓水射流結構及沖擊應力分布規(guī)律為基礎，構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

7、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.