基于ANSYS的高压水射流破岩过程应力分布研究

建立了高压水射流破碎岩石的有限元计算模型,基于ANSYS软件对高压水射流破岩过程中岩石内部应力的分布规律以及水射流速度对内部应力的影响规律进行了研究。研究结果表明,在射流与岩石冲击接触区域产生的应力最大,然后呈椭圆状向外扩散并逐渐减小;随着水射流冲击速度的增加,岩石内部的应力值也随之急剧增加,因而水射流速度对破岩效果的影响很大,这与实际破碎过程是一致的。     

高压水射流破煤防突仿真研究

对高压水射流的结构以及冲击结构进行分析,在此基础上构建水射流的破煤力学模型,运用ANSYS/Ls-Dyna有限元分析技术对高压水射流破煤效果进行动力学分析,得出高压水射流在破碎煤体过程中形成槽孔的结论,由于煤层内部压力的变化使槽孔周围煤体发生破裂,出现了大量的裂隙,增加了煤层的透气性,为瓦斯的释放创造了有利条件。     

高压脉冲水射流提高松软煤层透气性的研究

提出了利用高压脉冲水射流钻孔、切缝以提高松软煤层透气性和瓦斯抽采率的新思想.基于岩石动态损伤模型,理论分析和数值模拟了高压脉冲水射流瞬时动载荷、柔性撞击作用下煤体的动态损伤特性及裂隙场的变化规律.结果表明,高压脉冲水射流的冲击效应、剥蚀效应以及震动效应等冲击荷载作用可有效破碎煤体,增大煤体裂隙率和裂隙连通率,提高煤层透气性.研发出了低透气性煤层中的高压脉冲水射流瓦斯抽采系统,在重庆某典型高瓦斯低透气性煤矿进行了成功应用,应用结果表明,高压脉冲水射流有效提高了煤层透气性,平均百米钻孔煤层瓦斯抽放量较原工艺提高了7.8倍.     

高压水射流对煤的冲蚀机理研究

采用理论分析、实验测试和数值研究相结合的方法,对高压水射流冲蚀煤体机理进行了研究,为适用于煤层钻孔的高压水射流喷嘴及射流参数的选择奠定了一定的理论基础。同时论述了高压水射流对煤体的破坏作用、前期应力波的破坏作用及后期射流准静态压力和滞止压力梯度的破坏作用。     

深部矿井复合动力灾害机理及一体化防治技术

基于某矿705工作面煤层具有冲击、突出复合型动力灾害危险,提出了应用高压水射流旋转割煤一体化技术防治的思路,以理论计算,数值模拟及现场实测对巷帮煤体中应力及瓦斯分布规律进行了研究,从应力转移和释放、增强煤体透气性的角度对复合型动力灾害进行现场防治。研究结果表明:一体化防治技术能够使巷帮煤体中高集中应力转化为内外低集中应力;同时,能够保持较长时间的瓦斯抽放高浓度值。     

单孔条件下高能气体冲击增透过程中裂纹扩展规律的研究

采用相似试验与数值试验相结合的研究方法,建立高能气体冲击致裂的空气增压试验装置,同时利用RFPA~(2D)-dynamic有限元软件,研究高能气体冲击增透过程中裂纹扩展规律。结果表明:高能气体冲击增透时,瞬时冲击波对孔壁作用匀称,能量在试件孔周围均匀扩散,随着冲击能量在介质中传播衰减,此时裂纹的发展优先于材料本身较弱的单元处;高能气体冲击增透破碎区的产生主要由于径向压应力超过了煤体的抗压强度,裂纹区主要由于环向拉应力超过了煤体的抗拉强度。     

水射流作用下岩石破碎理论研究进展

水射流作用下岩石的破碎是一个极为复杂的过程,对水射流作用下岩石破碎机理的认识依然是众说纷纭,由此对水射流破岩机理有多种不同的学说。对此,综述与归纳了水射流作用下岩石破碎的主要理论,包括准静态弹性破碎理论、应力波破碎理论、气蚀(空化)破坏理论、裂纹扩展破碎和损伤破碎理论等。在此基础上评述和分析了水射流破岩理论研究存在的问题,并为水射流破岩理论的研究提出了一些建议。     

高压空气爆破煤体弹性分析

为研究高压空气爆破煤体过程的应力特征,依据弹性理论,建立了煤体破坏模型,分析了高压空气爆破区域的应力大小并计算了破碎区半径。现场试验表明:经高压空气爆破后,爆破区域煤体的渗透系数被改变,透气性系数由0.021 4 m2/(MPa2·d)提高至1.138 48~27.065 29m2/(MPa2·d),煤层透气性系数增加率达到50%~1 000%,煤层透气性得到较大改善。     

石门揭煤钻孔布置优化分析及应用

为优化突出煤层石门揭煤钻孔布置,在理论分析射流割缝影响半径的基础上,提出基于高压脉冲水射流割缝技术的钻孔布置的新工艺。在理论分析圆形紊动射流结构的基础上,研究了射流冲击破碎煤体时射流速度分布,基于动量守恒定律得出射流作用于煤体的应力分布。并选取重庆某煤矿K1煤层煤体制作原煤煤样进行孔隙率测试和单轴压缩实验,得出煤体的初始损伤和煤体力学参数,基于损伤力学对煤体发生损伤破坏的门槛值进行了计算,得出射流冲击煤体的最大深度和钻孔切缝后影响半径,并应用于重庆某煤矿+175N2号石门揭煤工程。应用结果:钻孔数量减少32个,减少钻尺718.4 m,钻进工程量减少35.7%。     

高压空气爆破致裂效果影响因素分析北大核心

为了提高低透气性煤层的增透效果,提出了高压空气爆破增透技术,阐述了高压空气爆破技术工作原理和工艺流程,利用高压空气的瞬间爆破冲击煤体,使煤体产生裂隙网络,从而有效地增加煤层透气性,同时分析了影响高压空气爆破煤体致裂效果的几个影响因素。通过数值模拟,研究地应力、高压气体、煤体硬度、瓦斯压力对高压空气爆破时裂隙产生的影响,结果显示高压空气爆破冲击可以有效地使煤岩介质产生破碎裂纹,地应力对裂隙扩展效果具有明显的抑制作用;高压气体、煤体硬度、瓦斯压力的大小对裂隙的产生和扩展具有积极作用。     

高压空气爆破致裂效果影响因素分析

为了提高低透气性煤层的增透效果,提出了高压空气爆破增透技术,阐述了高压空气爆破技术工作原理和工艺流程,利用高压空气的瞬间爆破冲击煤体,使煤体产生裂隙网络,从而有效地增加煤层透气性,同时分析了影响高压空气爆破煤体致裂效果的几个影响因素。通过数值模拟,研究地应力、高压气体、煤体硬度、瓦斯压力对高压空气爆破时裂隙产生的影响,结果显示高压空气爆破冲击可以有效地使煤岩介质产生破碎裂纹,地应力对裂隙扩展效果具有明显的抑制作用;高压气体、煤体硬度、瓦斯压力的大小对裂隙的产生和扩展具有积极作用。     

高压水射流割缝防治冲击地压的试验研究

利用高压水射流对煤体进行割缝的方法防治冲击地压,并采用KBD5电磁辐射监测仪对试验结果进行监测。结果显示,割缝以后的电磁辐射值明显比割缝前下降许多,说明割缝以后地应力有所下降,证明高压水射流割缝技术能够降低冲击倾向性,从根本上防治冲击地压的发生;深部电磁辐射值明显比浅部数值要高,说明割缝对浅层煤体的应力卸载效果最佳;电磁辐射值在深部出现峰值,说明割缝使地应力重新分布,应力集中区向深部转移。     

冲击载荷作用下弹、塑性组合煤体动态损伤特性研究

以掘进巷道前方分布的弹、塑性组合煤体为研究对象,基于应力波的传播规律,研究冲击载荷作用下煤体中应力波的传播过程,加、卸载波相互作用下拉应力波的形成及作用机理。研究表明:弹、塑性组合煤体在冲击载荷作用前后,加、卸载波在波阻抗不同的分界面将发生反射与透射,形成多束卸载波;卸载波的作用能产生拉应力,易致使煤体发生破坏;冲击载荷作用下掘进工作面前方塑性煤体与弹性煤体的分界面附近煤体中易形成拉应力较大的区域,导致煤体发生急剧损伤、瓦斯解吸速度急剧增加、瓦斯压力急剧上升,从而导致煤与瓦斯突出事故的发生,是由内至外的发展过程;加、卸载应力波在孔洞周围的弹、塑性煤体传播过程中会发生多次反射与透射产生多束卸载波,卸载波之间相互作用产生的拉应力,可使煤与瓦斯突出过程中呈现层裂现象。     

等离子体对煤体选择性破碎的实验与数值模拟分析

为了研究等离子体冲击作用下煤体内部的裂隙扩展规律，利用自主搭建的等离子体冲击实验平台，并通过实验和数值模拟相结合的方法对等离子体冲击作用下煤体的破碎规律进行了研究。实验中以等离子体破碎的煤体为对象，并结合三维可视化软件Dragonfly提取了红柳烟煤在等离子体作用下的裂隙相、矿物相，深入分析了等离子体冲击后煤体内部裂隙沿着不同方向的扩展规律。并以数值模拟软件Comsol Multiphysics为基础分析了等离子体冲击作用下含矿物煤体内部的电场强度分布规律。实验结果表明，等离子体冲击作用下在煤体内部形成相互贯通的空间裂隙网络，且裂纹呈现出由电极中心向四周发散的状态，在靠近电极的两端破碎效果较好，表明煤体的破碎效果与电场的集中程度正相关，电场越集中，能量越大，破碎效果越好。此外，裂隙在轴向和平面上均具有沿着矿物分布的特征，说明在等离子体作用下矿物与煤体分界面处产生了电场的畸变，引发了应力的集中，矿物的分布对裂隙存在着诱导作用。通过数值模拟验证了煤体中矿物和孔隙的存在对电场存在的影响规律，结果表明电场强度会在介电常数不同的介质中发生畸变，当电场穿过高介电常数的介质时会在介质内部形成较低的场强，当电场穿过低介电常数的介质时会在介质内部形成较高的场强。数值模拟得到的电场畸变的结果是对实验结果补充说明，实验所得到的结论是数值模拟宏观结果的体现与验证。     

高压水射流环切割缝自卸压机制与应用

为解决深部矿井低透气性煤层瓦斯抽采难题,针对穿层钻孔提出了高压水射流环切割缝煤层自卸压增透技术。通过瓦斯流动理论分析普通钻孔及环割钻孔瓦斯流动模式,分别建立了普通钻孔及环割钻孔瓦斯流动微分方程,获得了高压水射流环切割缝自卸压技术改善煤层瓦斯流动机制;采用FLAC3D软件建模分析高压水射流割缝后钻孔周边煤体应力演化规律,基于煤体卸压程度及塑性区分布特征,确定了穿层钻孔合理化割缝参数;通过底板穿层钻孔高压水射流环切割缝技术现场考察,环切割缝后煤层变形量达到0.136%,煤层透气性系数较原始状态提高了42倍,瓦斯抽采纯量相较普通钻孔提高3.44~5.32倍,同等条件下煤层抽采半径提高了1倍以上。理论研究与现场试验均表明,采用高压水射流切割在煤层内部形成环形缝槽,能有效改善钻孔煤体应力状态,增加煤层渗透性,提高瓦斯抽采效率。     

高压水射流割缝对煤体扰动影响规律研究及应用

基于高压水射流割缝层内卸压增透技术,运用ANSYS软件建立模型,模拟了高压水射流割缝后不同割缝宽度条件下煤体位移、应力的变化,根据模拟结果分析了割缝煤体受扰动影响的变化规律;同时在平煤集团十三矿进行了现场的试验和应用,并对割缝钻孔和普通钻孔进行了单孔抽采流量考察。ANSYS模拟研究表明,割缝宽度不同造成周围煤体位移和应力显著变化,割缝宽度增大煤体受扰动影响范围增大,加大了煤体裂隙扩展,提高了割缝煤体的卸压效果;经现场试验和应用,煤体进行高压水射流割缝后,割缝钻孔起始瓦斯抽采量是普通钻孔的2.5倍,且在考察时间内割缝孔的抽采流量远大于普通孔,提高了瓦斯抽采效率。     

不同应力对煤自然氧化的影响规律试验研究

为研究应力对煤自然氧化的影响规律，设计1套应力对煤自然氧化影响规律试验装置，通过该试验装置对煤样施加不同应力模拟采空区破碎煤体在承压环境中受压变形、温度及气体体积分数变化特征，定量分析不同应力作用下破碎煤体相关参数的变化规律。研究结果表明：升应力作用阶段破碎煤体较恒应力作用阶段受压变形、升温幅度更为明显且煤体升温速率与位移变化速率大小正相关，进一步验证了应力对于煤体自然氧化具有促进作用；破碎煤体在不同应力作用下煤自燃倾向性进一步加剧，煤体内分子更易氧化，从而导致CO、CH₄的产生；根据试验所测CO体积分数，从而推断有煤氧复合反应和煤体机械破碎激活脱碳2种产生途径。     

围压作用下水射流破岩损伤机理的数值模拟研究北大核心

采用显示动力学软件对水射流冲孔过程进行数值模拟,探究煤岩在高压水射流冲击下的破碎规律及裂隙发育状态,分析射流水柱冲击有/无围压的煤岩时,掏槽成孔的过程及机理,论证了煤岩体受拉伸力和剪切力的作用下导致横纵向裂隙形成并逐渐延伸成裂隙网的过程。研究结果表明:水射流冲击煤岩形成孔洞的同时,会在周围煤岩形成供瓦斯运移的裂隙,且成孔损伤范围受围压的影响;射流参数一定时,围压作用会阻碍孔深和孔径的扩展,但会使得周围裂隙的发育范围进一步扩张,20 MPa围压作用下扩张范围约增加40%。     

深井巷帮煤体冲击机理及水射流卸压技术应用

为解决深井巷道强矿压显现频发问题,对深井条件两类典型巷道冲击巷帮煤体破坏机理进行了分析,采用数值模拟方法研究了水射流卸压技术对巷帮煤体应力集中区二次分布影响,提出了基于"强弱强"三重防冲结构的水射流卸压防冲方法。研究表明:水射流卸压段形成的弹塑性"弱结构"区使煤体中高应力单峰值区应力二次分布形成低应力双峰值区;随水射流卸压段长度的递增,低应力内峰值区向煤体深部转移,且内峰值逐渐减小趋于原岩应力。现场水射流卸压区的电磁辐射值、钻屑量和矿震事件定位结果表明该技术有较好的应用效果。     

脉冲荷载作用下煤体裂纹扩展研究

针对低渗透性煤层抽采煤层气效率低的问题,基于断裂力学裂缝应力强度因子理论,通过RFPA-Dynamic数值模拟对煤体试件在模拟地应力作用下煤样裂缝周边应力和裂缝扩展规律进行了分析,采用高压电脉冲水力压裂技术和CT扫描技术对煤体进行了压裂试验并对产生裂缝的效果及裂缝的延展演化规律进行了研究。研究表明:原煤样质地坚硬,原生节理不发育;在静水压力和高压电脉冲冲击荷载作用下煤样易产生疲劳损伤破坏,煤样有贯穿性主裂纹和分支性裂纹产生,裂纹数量多,延伸长度长,宽度较宽;在高压脉冲波作用下裂纹尖端拉应力较大,出现了应力集中现象,裂纹易产生、易发展;表明高压电脉冲水力压裂煤体效果明显,方法有效,技术可行。