高压水射流破煤机制及技术应用研究

为了研究高压水射流对破煤机制以及对该技术的推广应用,本文以云冈矿为工程背景,通过理论计算、数值模拟、现场试验等技术手段对高压水射流破煤机制及技术应用进行研究。数值模拟表明,随着高压水射流与煤体作用时间的延长,高压水射流在煤体形成的坑底尺寸逐渐变大,随着后续水流的不断增加,能量不断升高,会继续对煤体进行损伤破坏。现场试验表明,钻孔累计抽采瓦斯纯量约为42 598.13 m3,与之前未进行高压水射流冲孔造穴相比,平均瓦斯抽采浓度提高3.2倍,平均抽采纯量提高7.3倍。     

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%。     

高压水射流破碎煤体过程及应力变化规律的数值分析

针对高压水射流冲击破碎煤体这一复杂非线性冲击动力学问题,采用SPH和FEM耦合算法,数值模拟了煤体在高压水射流冲击下的破碎过程,分析了应力作用规律和煤体破碎规律。研究结果表明,煤体主要受拉伸和剪切作用而被破坏,拉应力的作用区域随着煤体破碎向外延伸,剪切应力的作用区域主要在冲击轴心;水射流冲击载荷破煤过程可分为破碎积累、快速破碎2个阶段,煤体破碎速度表现为快慢交替。     

应用于煤矿防突中的高压水射流装置设计

以高压水射流技术的理论为基础,对现有的高压水射流装置中的关键设备——射流器和喷嘴进行了技术革新,首次设计出适合煤矿井下使用、用于防突预抽切割煤体的高压水射流装置。现场试验表明,不仅操作简单方便,而目切割效率很高,效果很好。     

高压水射流破岩能量耗散与释放机制

从应力-应变角度建立的高压水射流破岩准则,其精确度取决于对屈服应力的表述,由于表达式中不含材料参数,不能精确计算高压水射流破岩参数,而从能量角度建立的岩石强度理论具有更好的适用性和准确性。开展了基于能量耗散和释放机制的高压水射流破岩机理,理论研究了自由射流段速度分布特征,分别计算了等速核区和射流边界层扩展区动能,建立了不同靶距处射流动能计算模型。高压水射流冲击破岩能量表征为冲蚀坑的形成和岩体的体积破坏;射流能量耗散于剪切面的扩展和滑动,储存弹性势能的释放导致岩体的整体体积破坏。根据岩石的统一能量屈服准则,建立了高压水射流破岩能量准则。通过砂岩、灰岩和花岗岩的单轴压缩应力-应变曲线得出3种岩石的材料参数,计算每种岩石的剪切应变能和体积应变能,得出射流破岩临界速度。根据高压水射流冲击破岩实验结果修正了考虑喷嘴流量系数的高压水射流破岩能量准则,该准则能够较为精确的计算射流破岩速度。且岩体的破坏形态证明从能量角度研究破岩机理更为适合。     

不同喷嘴结构下水射流流场及破岩特征数值模拟

为了获取高压水射流流场结构参数,优化喷嘴结构以及研究岩石破坏特征,采用了CFD方法对高压纯水射流流场结构、射流核心区长度以及速度分布进行研究,并采用ALE方法研究了高压水射流破岩特征。研究结果具有一定的参考价值。     

高压旋转射流在顺层钻孔强化抽采中的应用研究

分析了旋转射流破煤增透机理,据此研发了井下高压旋转水射流扩孔系统装备及工艺并在城山煤矿进行了现场试验。现场应用表明:高压水射流扩孔后的钻孔孔径为扩孔前孔径的3.3倍;100 m钻孔的平均瓦斯抽放速度是常规钻孔的1.79倍。旋转射流扩孔增加了钻孔周边煤体的卸压范围,提高了煤体的渗透系数,从而大幅度提高了瓦斯抽放量。     

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.     

高压水射流破煤机理研究进展及展望北大核心

通过对高压水射流破煤机理的研究,可以为水射流装备制造和施工工艺研究提供理论依据。在调研大量国内外相关文献的基础上,系统总结了目前高压水射流破煤机理的相关理论,从水射流结构和煤体力学特性入手,介绍了应力波破煤理论、准静态弹性破煤理论、气蚀破煤理论及裂纹扩展破煤理论等对各阶段破煤机理的研究成果。针对当前各种破煤理论的适用性及局限性,提出下一步可以从完善水射流破煤机理、两相射流破煤机理和新型射流方式破煤机理3个方向开展研究。     

法国高压水射流破岩的研究

法国煤炭研究中心高压水射流研究室对射流破岩进行了较长时间的研究,并将其研究成果应用于露天矿破岩,以及掘进机的破岩,取得了初步成效。一、高压水射流技术高压水射流包括连续水射流、空穴射流、脉冲射流和经过调制的射流等,但后三种射流尚未用于切割岩石。     

旋转水射流割缝提高穿层钻孔抽采效果的试验研究

从旋转射流的理论基础和煤岩失效2个方面对旋转射流割缝的机理进行了研究。通过扩大穿层钻孔直径,增加了煤层暴露面积和卸压范围,提高穿层钻孔的抽放效果。结果证明,旋转水射流割缝技术技术可行,抽采效果显著,是提高穿层钻孔抽采效果的有效途径之一。     

高压水射流技术在煤层气开发中的应用研究现状及发展趋势

高压水射流技术是近几十年来发展起来的一项油气采掘增产技术,该技术在煤层气开发增产中具有诸多优势,但由于还并未形成一套完善的技术理论体系,该技术没有得到大面积推广。通过收集水射流技术相关资料,介绍了目前高压水射流破煤机理、喷嘴几何参数、磨料水射流、辅助破煤的研究进展,并对现有研究的不足以及今后的发展趋势进行了阐述。     

前混合水射流超细粉碎煤粒的试验研究

以山西西山煤样为原料,开发了一种适合于煤炭物性的前混合水射流超细煤粉试验装置,研究了加载压力、循环碰撞次数和浓度对超细煤粉大小及分布的影响,并利用激光粒度仪对所得超细煤粉进行了粒度分析,用ξ电位实验研究了超细煤粉颗粒悬浮体系的分散性.试验表明,采用角形喷嘴淹没水射流技术,可以在循环碰撞为3~4次、加载压力为43~50 MPa的工艺条件下将料浆比为25%~35%的煤粒粉碎至d 50<22.6 μm,为采用前混合水射流方法粉碎煤炭制备高性能水煤浆燃料提供了理论基础和关键技术.     

高压水射流钻割一体化防冲机理分析及其数值模拟研究

为了研究高压水射流钻割一体化技术对煤层巷道的卸压防冲效果,以甘肃华亭砚北煤矿2502采区工程地质条件为背景,采用理论分析、数值模拟和现场工业性试验相结合的研究方法,对250203运输巷道受邻近250204工作面回采扰动影响进行了研究.结果表明:对巷帮煤体采取高压水射流冲孔措施后,煤体内的高集中静载将会转移和释放,并形成...     

水力冲孔喷头结构参数设计及试验研究

 水力冲孔喷头结构和参数的设计直接影响到试验的效果。本文通过水射流理论、喷嘴出口水射流压力的计算、扰动理论以及喷嘴出水孔角度的优化计算对喷头进行初选、再选及终选,使得喷头满足最小破煤压力、最大冲出煤量及顺利排渣的要求,研究出一套水力冲孔喷头结构及参数设计的理论体系。结合北辰煤矿81煤大量水力冲孔对比试验,得出适合本煤层的喷头型号为3?2mm+1?1.5mm,合理布置了喷头各喷嘴位置,最终总结出北辰煤矿81煤水力冲孔喷头选型表,指导水力冲孔过程中喷头的选择,达到最佳冲孔效果,煤层得到卸压、增透并消除了突出危险性,保障煤矿的安全生产。     

Dynamic effects of high-pressure pulsed water jet in low-permeability coal seams

Mine gas extraction in China is difficult due to the characteristics such as micro-porosity, low-permeability and high adsorption of coal seams. The pulsed mechanism of a high-pressure pulsed water jet was studied through theoretical analysis, experiment and field measurement. The results show that high-pressure pulsed water jet has three dynamic properties. What’s more, the three dynamic effects can be found in low-permeability coal seams. A new pulsed water jet with 200∼1 000 Hz oscillation frequency and peak pressure 2.5 times than average pressure was introduced. During bubble collapsing, sound vibration and instantaneous high pressures over 100 MPa enhanced the cutting ability of the high-pressure jet. Through high-pressure pulsed water jet drilling and slotting, the exposure area of coal bodies was greatly enlarged and pressure of the coal seams rapidly decreased. Therefore, the permeability of coal seams was improved and gas absorption rate also decreased. Application results show that gas adsorption rate decreased by 30%∼40% and the penetrability coefficient increased 100 times. This proves that highpressure pulsed water is more efficient than other conventional methods. Supported by the National Natural Science Foundation of China (50604019); the Innovation Team Foundation of China (50621403)     

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。     

高压水射流防治煤与瓦斯突出的数值模拟及分析

我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一,频繁发生的突出事故成为矿工生命安全的主要危害。文章基于RFPA软件建立了高压水射流破煤冲孔的数值模型,并对射流后煤岩的应力变化进行了数值模拟。结果表明,高压水射流冲孔技术能很好地起到煤岩破裂释放瓦斯的效果,达到防治煤与瓦斯突出的目的,具有很好的发展前景。     

基于Fluent的高压水射流喷嘴优化模拟研究

为了提高高压水射流技术的破煤效率,采用Fluent软件对高压水射流的喷嘴结构和几何参数进行了优化模拟。通过分析水射流的轴向速度和壁面静压分布,选择了最佳的喷嘴结构和几何参数。结果表明:圆柱形喷嘴的最大射流速度发生在喷嘴内部,而锥形和锥直形喷嘴的最大射流速度发生在喷嘴外部,且锥形和锥直形喷嘴的最大射流速度和最大压力均明显大于圆柱形喷嘴,考虑到水射流的附壁效应,锥形喷嘴为最佳选择。锥形喷嘴的最优几何参数为:喷嘴出口直径3 mm,喷嘴锥角7°,喷嘴长度9 mm。高压水射流喷嘴的优化对提高煤层瓦斯抽采效率具有重要意义。