高压脉冲水射流增透技术在煤矿石门揭煤中的应用研究

作     者：刘勇 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：卢义玉

授予年度：2009年

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

主      题：高压脉冲水射流 石门揭煤 煤与瓦斯突出 渗透率 瓦斯渗流 

摘      要：煤与瓦斯突出是煤矿生产中的一种极其复杂的动力现象,石门揭煤时极易引起煤与瓦斯突出,其强度大、频率高。据统计,在我国几十起特大型突出事件中,石门揭煤发生的突出就占了75.9%。针对这一问题,国内外学者提出了许多解决措施,如:孔预裂爆破、水力压裂、酸化处理煤层等方法,但这些方法施工工艺复杂,石门揭煤周期长,准备巷道掘进时间过长,严重制约着煤矿高产高效;所以,开展高压脉冲水射流增透技术具有重大的工程和经济意义。 本文依托国家自然科学基金委创新群体基金项目“高压水射流破岩理论及其在地下工程中的应用基础研究(50621403),提出采用高压脉冲水射流对煤层切缝的新方法。通过研究高压脉冲水射流对煤体的动态损伤作用,分析了高压脉冲水射流对煤体裂隙场的演化特性和煤层透气性的影响;根据非线性瓦斯渗流理论以及地球物理场效应瓦斯流动理论研究了高压脉冲水射流冲击及振荡效应对煤体内瓦斯流动规律的影响;研发了高压脉冲水射流切缝系统装置和施工工艺,并结合流体力学、渗流力学等理论分析确定了高压脉冲水射流切割煤体时主要水力参数,并进行现场试验。主要研究成果如下: ①高压脉冲水射流在松软低透气性煤体中切缝,引起钻孔周围应力场变化,形成一定范围的卸压带,同时脉冲射流的振荡作用促使卸压带范围增加,使煤层透气性增大;不同频率的脉冲形成不同尺寸级的裂隙,在高压脉冲水射流冲击应力波和水准静态作用裂隙先后经历初始损伤、裂隙扩展、裂隙相互贯通及裂隙场进一步发展四个阶段,裂隙的发展,增加了瓦斯的运移通道,是煤层透气性进一步增大,为高效抽采瓦斯奠定了基础。 ②得出高压脉冲水射流对煤体的冲击动态方程,并根据瓦斯渗流理论得出高压脉冲水射流作用下煤体内瓦斯渗流方程。 ③研发出高压脉冲水射流切缝系统装置,通过流体力学、牛顿定律分析计算得出射流在煤岩单位面积所受的作用力以及煤粒与水的速度关系,从而得出脉冲射流破煤岩的临界压力以及切缝过程中所需要的射流流量,为高压脉冲水射流切缝系统装置在煤矿石门揭煤的应用奠定基础。 ④对高压脉冲水射流切缝系统进行现场试验,通过对比分析得出,在采用高压脉冲水射流切缝工艺的+175N2#石门,切缝3天后K1煤层K1值最大值由0.85 mL/g·min1/2减小为0.46mL/g·min1/2,而未实施高压脉冲水射流切缝工艺+175主石门K1值没有明显变化。在+175N2#石门切缝瓦斯预抽孔平均单孔瓦斯浓度相比未切缝孔提高了35.8倍,平均单孔瓦斯流量提高了10倍以上。切缝石门的瓦斯抽采率、瓦斯抽采量和预抽面积相比未切缝石门分别提高了的3.2倍、1.85倍和2.035倍;预抽时间缩短54.7%,揭煤时间缩短44.8%,钻孔数量减少53.2%,钻尺减少33.7%,K1max降低了44.9%,并使得所揭K1煤层由较难抽采煤层转变为可以抽采煤层。