水射流非均質(zhì)破巖理論及其應(yīng)用.pdf

1、在煤礦開采中，瓦斯災(zāi)害一直是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。雖然國內(nèi)外學(xué)者在瓦斯治理方面進行了大量艱苦的工作，但收效不大。目前，本煤層瓦斯預(yù)抽放措施仍然被認為是預(yù)防瓦斯災(zāi)害最有效的方法之一。但是，隨著煤層開采深度的增加，煤層透氣性隨之減小，從而嚴重影響了煤層瓦斯的抽放率和瓦斯抽放效果。因此，解決低滲透煤層的瓦斯抽放已成為確保煤礦安全生產(chǎn)，提高煤礦生產(chǎn)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人類對能源需求的增大，煤層氣資源的開發(fā)與利用也日益倍

2、受關(guān)注。我國的絕大多數(shù)煤田均為低滲透煤層，因此開展低滲透煤層的瓦斯抽放研究具有重要的社會價值和經(jīng)濟效益。 太原理工大學(xué)經(jīng)過多年的深入研究，提出了采用高壓水射流在本煤層鉆孔和割縫提高低滲透煤層的瓦斯抽放效果的基本研究思想和理論。論文較詳細地推導(dǎo)了圓形淹沒紊動射流的邊界層方程，從理論、數(shù)值計算和試驗等幾個方面研究了煤巖體等非均質(zhì)材料在高壓水射流作用下的破碎機理，試驗研究了高壓水射流在煤層中鉆孔和割縫的相關(guān)規(guī)律，并在工業(yè)試驗中，取得大

3、幅度提高瓦斯抽放的效果。主要研究工作有以下幾個方面： 1.運用紊動的粘性不可壓流體的運動方程(N-S方程)、連續(xù)方程和能量方程，建立了圓形淹沒紊動射流的邊界層方程。在此基礎(chǔ)上采用時間統(tǒng)計平均方法，推導(dǎo)出了質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程，求得了淹沒射流流速的沿程變化規(guī)律及其它有關(guān)的淹沒射流特性參數(shù)。并進一步推導(dǎo)出多股圓形淹沒射流的質(zhì)量方程和動量方程，給出多股射流會聚長度的計算公式，分析了多股射流的流速、紊動強度和靜壓分布規(guī)律。

4、 2.通過分析射流對材料的沖擊破壞作用和非均質(zhì)材料的特性，從理論上研究了煤巖體等非均質(zhì)材料在水射流沖擊作用下的破碎機理。在已有的巖石水射流破壞理論的基礎(chǔ)上，假設(shè)非均質(zhì)材料的細胞元強度是隨機的、服從Weibull分布規(guī)律，建立了非均質(zhì)巖體的連續(xù)損傷本構(gòu)模型，并引入無量綱破壞系數(shù)df，與Mohr-Coulomb和Drucker-Prager屈服準則聯(lián)合，給出了水射流作用下非均質(zhì)煤巖體的破壞準則。 3.通過引入非均質(zhì)參數(shù)，描述煤巖體的

5、強度和彈性模量，并用于水射流沖擊與巖體變形的耦合模型中，提出了水射流作用下非均質(zhì)煤巖體破碎機理的數(shù)值計算方法，編制和開發(fā)了模擬水射流連續(xù)破碎非均質(zhì)煤巖體的分析軟件。 4.以潞安3[＃]煤層為背景，利用上述軟件進行了水射流對煤體破碎的數(shù)值模擬研究，揭示了水射流作用下非均質(zhì)煤巖體的破碎機理：煤巖體中低強度細胞元首先破碎，產(chǎn)生一系列大小不等的裂隙，并沿著低強度細胞元所在的位置發(fā)展、延伸，最終會聚，發(fā)生大塊材料的剝落，形成破碎坑。

6、 5.利用上述軟件進行了水射流在煤層中鉆孔的數(shù)值模擬研究，計算結(jié)果表明：水射流作用下的煤體存在一個門檻壓力，當(dāng)水射流的沖擊壓力小于該門檻壓力時，煤體不能被破碎。連續(xù)鉆孔時，水射流的壓力和流量越大，形成的鉆孔直徑也越大；鉆頭的推進速度越快，形成的鉆孔直徑則越小。 6.設(shè)計和制造了高壓水射流在煤層中鉆孔和割縫的專用設(shè)備，設(shè)備由連續(xù)鋼管、纏繞滾筒、推進機構(gòu)、水射流鉆頭和液壓控制系統(tǒng)等部分組成。其中推進機構(gòu)、連續(xù)鋼管制造方法、水射流鉆

7、頭等獲多項國家發(fā)明專利。 7.通過大量實驗室模擬煤壁的水射流鉆孔和割縫試驗，揭示了煤巖體等非均質(zhì)材料在水射流沖擊作用下的破碎機理：由于煤巖體的非均質(zhì)性，在水射流沖擊作用下，使其表面形成凹凸不平、深淺各異的破碎坑，非均質(zhì)參數(shù)小的巖體的破碎坑更粗糙。 8.通過在潞安煤業(yè)集團五陽煤礦7601工作面的工業(yè)性試驗，完成了水射流在煤層中鉆孔和割縫、抽放瓦斯等試驗。試驗表明，使用70MPa的水射流、9噴嘴組合鉆頭鉆孔時，能夠得到直徑約