首山矿水力冲孔消突效果研究及方案优化

作     者：刘英振 

作者单位：河南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏建平;王云刚

授予年度：2012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：水力冲孔 高压水射流 底板巷 数值模拟 消突机理 

摘      要：本文针对首山一矿己15-17厚煤层高瓦斯压力，高瓦斯含量，煤体松软，透气性差，喷孔严重，穿层钻孔抽放瓦斯效果不理想的情况，采用水力冲孔卸压增透技术改变煤层瓦斯赋存条件，提高煤层透气性和抽放效率，降低煤层瓦斯压力和含量，扩大应力卸压区，最终消除煤巷掘进控制区域内煤与瓦斯突出危险性，减少钻孔工程量，缩短瓦斯抽放时间，实现煤巷安全快速掘进。为了建立更适合于首山矿煤层地质条件下的水力冲孔技术措施，在理论分析的基础上，经过现场水力冲孔试验，考察出了该矿水力冲孔技术实施的可行性与相应的技术参数，考察结果为首山矿在水力冲孔高压水射流的作用下能顺利冲出大量煤体和瓦斯，卸压增透效果明显，该技术适合首山矿煤层，喷嘴型号宜选用1φ1.8+2φ4mm，冲孔压力为4MPa即可满足冲孔要求;通过水力冲孔卸压增透机理进行分析、研究得出：水力冲孔主要是利用高压水射流冲击力实现煤岩体的破碎，从而冲出大量煤体;在瓦斯压力和地应力作用下煤体发生体积变形，增大煤层裂隙数量和透气性;随着瓦斯的释放，煤体体积收缩，应力集中向深部转移，同时在钻孔围岩的一定范围内形成卸压区。从煤岩受力状态和瓦斯运移遵循质量守恒定律理论出发建立了水力冲孔后煤层瓦斯在应力场和渗流场下气固耦合的偏微分方程。 结合现场试验条件及考察结果借助于多计算机物理场耦合模拟软件COMSOL-Multiphysics成功地将所建数学模型加载并模拟了不同出煤量的钻孔在水力冲孔后煤岩应力和瓦斯压力变化和分布情况，及经过相同时间的抽放后，水力冲孔有效影响半径和合理的冲孔间距，并对优化后的冲孔方案进行了现场实验、考察、验证。根据冲孔后煤岩应力和瓦斯压力抽放效果综合分析，确定了首山矿水力冲孔有效半径为4m，单孔出煤量为1t/m比较合适，最大冲孔间距不超过8m时，既没有应力集中现象，又实现了理想的消突效果。