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深部冲击地压煤层水射流割缝卸压参数优化研究

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岩土工程学报 2023年第7期45卷 1509-1516页

作者：胡阳曹安业秦续峰薛成春郭文豪刘耀琪彭雨杰云南煤矿安全技术中心有限公司云南昆明650000 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学江苏省矿山地震监测工程实验室江苏徐州221116 山东新河矿业有限公司山东济宁272499 内蒙古仲泰能源伊旗分公司内蒙古鄂尔多斯017200

为确定深部冲击地压煤层高压水射流割缝卸压最优参数,采用数值模拟、理论推导剖析了高压水射流割缝卸压防冲原理,构建了钻孔间距、割缝半径等4个因素的参数优化理论模型,以某矿730采区集中巷为研究对象,基于动静载叠加原理,研究揭示了... 详细信息

为确定深部冲击地压煤层高压水射流割缝卸压最优参数,采用数值模拟、理论推导剖析了高压水射流割缝卸压防冲原理,构建了钻孔间距、割缝半径等4个因素的参数优化理论模型,以某矿730采区集中巷为研究对象,基于动静载叠加原理,研究揭示了集中巷冲击地压机理,获得了各影响因素的理论参数值,并揭示了不同理论参数下应力、塑性区及冲击危险指数的异同。研究结果表明:各影响因素对高压水射流割缝卸压效果均有较大影响,且各因素之间存在显著的交互作用;采用卸压后平均垂直应力、弹性能密度、冲击危险指数及卸压成本为卸压参数的有效性及经济性指标,评估了不同参数卸压效果的优劣,获得该煤层物理力学性质下高压水射流割缝卸压最优参数;研究成果在730采区#3联络巷应用后,现场微震频次、总能量及微震空间集中度均大幅降低,为工作面安全回采提供了技术保障。

关键词：冲击地压煤矿巷道水射流割缝参数优化数值模拟

深部冲击地压煤层高压水射流割缝卸压参数优化研究

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深部冲击地压煤层高压水射流割缝卸压参数优化研究

作者：胡阳中国矿业大学

学位级别：硕士

随着我国煤炭生产重心向深部转移,冲击地压灾害风险日益增加。高压水射流割缝卸压技术具有粉尘量少及无火花等优点,能够在煤体内形成一定范围的卸压带,较大程度上起到防控冲击地压的作用。科学合理的确定高压水射流割缝卸压参数,保障巷... 详细信息

随着我国煤炭生产重心向深部转移,冲击地压灾害风险日益增加。高压水射流割缝卸压技术具有粉尘量少及无火花等优点,能够在煤体内形成一定范围的卸压带,较大程度上起到防控冲击地压的作用。科学合理的确定高压水射流割缝卸压参数,保障巷道安全、高效的卸压对降低巷道冲击地压风险等方面尤为重要,是一项极具有经济效益和社会效益的重要课题。本文通过理论分析、数值模拟及工业实践的方法,研究分析了高压水射流卸压效果影响性因素、水射流破煤机理及卸压防冲原理,构建卸压参数优化理论模型,通过对不同参数条件下卸压效果进行模拟分析获得最优值,并在新河煤矿730采区3#联络巷开展高压水射流割缝卸压参数优化工业实践。主要结论如下:研究分析了高压水射流割缝卸压效果影响因素中喷嘴结构参数包含喷嘴类型、射流直径、射流压力、射流角度及靶距,工况参数包含钻孔间距-割缝半径、钻孔深度-割缝长度及缝槽切割间距-切割宽度,煤体结构参数为煤体抗压强度及煤体厚度,构建了高压水射流割缝卸压参数优化理论计算模型,并基于新河煤矿730采区集中巷实际煤层物理力学参数,计算得出了工况参数的理论计算值。采用LS-DYNA软件光滑粒子流(SPH)耦合有限单元法构建网格模型,通过控制变量的方法研究不同喷嘴类型、射流直径、射流压力、射流角度及靶距下冲击破煤过程及煤体损伤演化规律,统计分析了不同参数时煤体所衍生的裂纹深度、宽度、数目及裂纹扩展角度,获得最优喷嘴结构参数为:平直渐缩型喷嘴、射流压力为120MPa、靶距为12.0mm、射流直径为3.5mm、射流角度为90°。采用FLAC3D软件数值模拟了不同钻孔间距-割缝半径、钻孔深度-割缝长度、缝槽切割宽度-切割间距、煤体抗压强度及煤层厚度条件下卸压后煤体位移场、应力场、塑性区、能量场及冲击危险指数K值的变化规律,综合考虑卸压后煤岩体平均垂直应力、弹性能密度、冲击危险性指数K值及卸压成本四项指标后,获得最优工况参数为:钻孔间距-割缝半径分别为5.0m-2.0m,钻孔深度-割缝长度分别为25.0m-20m,缝槽切割宽度-切割间距分别为0.1m-2.0m。针对新河煤矿730采区3#联络巷开展高压水射流割缝卸压工业实践,卸压后730采区集中巷附近区域微震频次、总能量及微震集中度大幅降低,根据高压水射流割缝卸压前后的微震波形进行震动波CT反演分析,卸压后采区集中巷区域高应力转移,安全风险消除。可见,采用本文设计的高压水射流割缝卸压参数进行巷道解危后,区域卸压效果明显,对保障工作面安全生产起到了较大作用。该论文有图90幅,表13个,参考文献81篇。

关键词：冲击地压煤矿巷道水射流割缝参数优化数值模拟

低透气性煤层高压振荡水射流割缝增透机理及效果分析

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能源技术与管理 2023年第2期48卷 21-23页

作者：周图文安徽皖北煤电集团公司五沟煤矿安徽宿州235131

针对卧龙湖煤矿煤层埋深大、地应力大、渗透率低、钻孔塌孔等问题,提出了一种高瓦斯低渗透性突出煤层的高压振荡水射流割缝技术;分析了煤体割缝后的应力分布状态和卸压效应,并进行了现场试验。结果表明,割缝孔槽在轴向方向上会产生卸压... 详细信息

针对卧龙湖煤矿煤层埋深大、地应力大、渗透率低、钻孔塌孔等问题,提出了一种高瓦斯低渗透性突出煤层的高压振荡水射流割缝技术;分析了煤体割缝后的应力分布状态和卸压效应,并进行了现场试验。结果表明,割缝孔槽在轴向方向上会产生卸压效应并产生裂隙,煤层透气性相应提高;相比普通抽采钻孔,割缝钻孔瓦斯抽采总量、单孔瓦斯抽采量显著提升,消突达标时间缩短30%以上。

关键词：瓦斯抽采低渗透性突出煤层水射流割缝

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高压水射流割缝提高瓦斯抽放效率的研究

煤炭科学技术 2009年第3期37卷 44-46页

作者：于洪陆庭侃河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 西安美尼矿山设备科技有限公司陕西西安710054

为了提高坚硬煤层的瓦斯抽放效率,利用高压水射流对瓦斯抽放钻孔进行割缝。采用计算机模拟优化影响高压水射流切割质量的各种参数,研究了高压水射流割缝提高瓦斯抽放效率的作用机理,并进行了井下高压水射流割缝工业性试验。试验结果表明... 详细信息

为了提高坚硬煤层的瓦斯抽放效率,利用高压水射流对瓦斯抽放钻孔进行割缝。采用计算机模拟优化影响高压水射流切割质量的各种参数,研究了高压水射流割缝提高瓦斯抽放效率的作用机理,并进行了井下高压水射流割缝工业性试验。试验结果表明:高压水射流割缝改变了煤体的原始应力和裂隙状况,改善了煤层中的瓦斯流动状态,瓦斯抽放量提高了5~6倍,瓦斯抽放速率提高了6~8倍,从而提高了煤层瓦斯抽放效率。

关键词：水射流割缝坚硬煤层瓦斯抽放

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高压水射流割缝辅助瓦斯抽放技术研究

高压水射流割缝辅助瓦斯抽放技术研究

作者：于洪河南理工大学

学位级别：硕士

瓦斯灾害是威胁煤矿安全生产的自然灾害之一,预防瓦斯灾害对煤矿安全生产具有十分重要的意义。虽然国内外专家学者在煤矿瓦斯抽放方面进行了大量的研究工作,但抽放效率低。卸压增透是提高高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽放率的重要途径,其关... 详细信息

瓦斯灾害是威胁煤矿安全生产的自然灾害之一,预防瓦斯灾害对煤矿安全生产具有十分重要的意义。虽然国内外专家学者在煤矿瓦斯抽放方面进行了大量的研究工作,但抽放效率低。卸压增透是提高高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽放率的重要途径,其关键技术的研究对我国煤矿瓦斯灾害防治有着深远而重要的意义。本文主要针对如何解决高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽放困难的问题,提出了高压水射流割缝强化瓦斯抽放技术。该技术是通过降低煤层原岩应力,改变煤层物理力学性质,以达到提高煤层透气性的目的。首先,研究以煤层瓦斯运移规律、高压水射流割缝卸压增透机理为基础,借助FLAC5.0软件对高压水射流割缝后煤层卸压效应以及对影响卸压效应的割缝参数进行模拟与分析,割缝后缝槽周围煤体出现大面积的卸压区域,并产生不同程度的位移及破坏;另一方面,以水射流理论及相关学科理论为基础,运用FLUENT软件对喷嘴结构进行设计,通过正交试验优化了喷嘴几何结构参数,对系统主要设备进行改进和选型,设计出了高压水射流割缝系统,并对该系统进行了性能可靠性与稳定性测试;最后,结合数值模拟结果和汝箕沟煤矿32211工作面的现场情况,确定高压水射流强化瓦斯抽放的钻孔布置方案以及割缝参数。现场工业性试验研究表明:高压水射流割缝技术可以有效地释放地应力,增加钻孔周围煤体的裂隙,提高煤体的透气性,钻孔瓦斯抽放量平均提高了3.55倍,瓦斯浓度平均提高了37%。

关键词：瓦斯抽放低透气性煤层水射流割缝卸压增透数值模拟

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高压水射流割缝的破煤机理及实验研究

高压水射流割缝的破煤机理及实验研究

作者：张啸辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

冲击地压是一种主要的矿山灾害,它的发生一般是突然的并难以预见的,所以容易造成人员及财产损失。因此需找一种经济有效的卸压方法以防治冲击地压就成为了矿山减灾工作的重要课题。与传统的大孔径机械钻孔方法及水射流钻孔方法相比,利... 详细信息

冲击地压是一种主要的矿山灾害,它的发生一般是突然的并难以预见的,所以容易造成人员及财产损失。因此需找一种经济有效的卸压方法以防治冲击地压就成为了矿山减灾工作的重要课题。与传统的大孔径机械钻孔方法及水射流钻孔方法相比,利用现有小孔径进行水射流割缝卸压的方法具有更良好的卸压效果,可以作为一种新的方法和技术途径进行深入研究。因此本文围绕着高压水射流割缝这一课题,从以下几个方面进行研究并得出结论:首先,对高压水射流基础理论进行研究。分析了射流结构,射流参数以及射流作用下材料实效的机理,认为在水射流作用下煤岩主要是因为自身微裂隙扩展及水楔作用导致煤岩孔隙贯通脱落。其次,对高压水射流割缝进行了相似材料模拟实验研究。实验分别得出了不同射流压力下试件的切割体积、切割深度以及不同射流流量下试件切割体积、切割深度之间的关系,并从实验角度说明对应于某一强度的煤岩,并不是压力越大越好,流量越大越好,当压力、流量超过某一数值后,其对于割缝的影响力减弱。再次,对高压水射流割缝进行了数值模拟研究。运用ANSYS非线性有限单元法,对水射流割缝过程中某一时刻缝内切割面应力进行了分析,分析得出在不同射流压力下,切割面应力分布具有相似性,应力函数的非单调性以及缝底端的高应力集中,这与理论分析和实验现象都较好地吻合。本文通过理论分析,实验研究和数值模拟研究分析了影响高压水射流割缝效率的因素,研究得出的结论对于进一步研究水射流割缝防治冲击地压技术以及将水射流割缝技术应用于其它领域具有较好的指导意义和借鉴价值。

关键词：高压水射流冲击地压水射流割缝射流结构非线性有限单元法

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高压水射流割缝技术卸压增透机理及应用研究

山东煤炭科技 2020年第7期38卷 81-83,86页

作者：李岩潞安集团余吾煤业有限公司山西长治046103

基于余吾煤业高瓦斯矿井受瓦斯灾害困扰严重难题,提出了高压水射流割缝技术的卸压增透方法,对该技术切割机理、卸压增透机理进行了理论上的可行性分析,结合现场工业性试验对煤样的观察和瓦斯抽采浓度的对比,验证了该技术对煤层的卸压增... 详细信息

基于余吾煤业高瓦斯矿井受瓦斯灾害困扰严重难题,提出了高压水射流割缝技术的卸压增透方法,对该技术切割机理、卸压增透机理进行了理论上的可行性分析,结合现场工业性试验对煤样的观察和瓦斯抽采浓度的对比,验证了该技术对煤层的卸压增透效果显著,有利于低透气性煤层的瓦斯预抽采。

关键词：低透气煤层水射流割缝卸压增透瓦斯抽采

底板巷水射流网格式割缝强化增透技术研究及应用

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煤炭工程 2014年第8期46卷 61-63页

作者：张震林柏泉邹全乐刘厅闫发志中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

针对杨柳矿抽放巷普通穿层钻孔布置掩护煤巷掘进增透效果差、卸压不充分的问题,提出了水射流网格式割缝强化增透技术,并在杨柳矿1063机巷抽放巷实施现场试验,现场试验表明:高压水射流通过在煤层进行割缝形成卸压空间,促使煤体发生膨胀变... 详细信息

针对杨柳矿抽放巷普通穿层钻孔布置掩护煤巷掘进增透效果差、卸压不充分的问题,提出了水射流网格式割缝强化增透技术,并在杨柳矿1063机巷抽放巷实施现场试验,现场试验表明:高压水射流通过在煤层进行割缝形成卸压空间,促使煤体发生膨胀变形,煤体渗透性得到改善,促进瓦斯的解吸流动,提升瓦斯抽采效果;通过割缝孔网格式布置掩护巷道掘进能够实现强化增透及局部高效消突。

关键词：底板巷水射流割缝消突穿层钻孔网格式卸压增透

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我国煤矿水射流卸压增透技术进展与战略思考

煤炭学报 2022年第9期47卷 3189-3211页

作者：卢义玉黄杉葛兆龙周哲刘文川管娅蕊重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044

煤炭是我国能源安全的“压舱石”,具有重要的兜底保障作用。随着我国煤炭开采逐步向深部进军,深部矿井所面临的构造复杂、瓦斯压力大、渗透率低等情况日趋严重,以煤与瓦斯突出为代表的灾害防治难度逐渐增大,严重制约着我国煤炭安全高效... 详细信息

煤炭是我国能源安全的“压舱石”,具有重要的兜底保障作用。随着我国煤炭开采逐步向深部进军,深部矿井所面临的构造复杂、瓦斯压力大、渗透率低等情况日趋严重,以煤与瓦斯突出为代表的灾害防治难度逐渐增大,严重制约着我国煤炭安全高效开采。大范围提高煤层透气性是消除突出危险性并提高煤层气抽采效率的关键。传统煤层增透技术如密集钻孔等单孔增透范围偏小、抽采效率较低;常规压裂技术受制于地应力作用常存在水力裂缝形态单一、易损伤顶底板等不足,且裂缝两侧增透“空白带”内遗留瓦斯在后续开采过程中易诱发灾害。近几十年来,以提高煤层透气性、瓦斯抽采效率,减少煤与瓦斯突出风险为导向,诸多水射流技术因其效果显著、清洁等特点,逐渐成为了煤储层卸压增透、强化瓦斯抽采的主要方法。梳理了我国水射流技术增透煤层强化瓦斯开发的研究历程及最新进展,系统性归纳了水力冲孔、水射流割缝卸压、割缝导向压裂、树状钻孔均衡增透强化瓦斯开发理论及技术研究现状。我国对能源安全战略布局不断深化,然而面对深部煤层瓦斯动力灾害的复杂性、特殊性和突变性,目前煤矿水射流卸压增透措施仍存在技术协同性不够等亟待攻克的难题。基于新形势下保障国家能源安全的极端重要性,针对性分析了水射流强化瓦斯开发技术在运用中所存在的不足与局限,提出了未来重点发展趋势及展望。

关键词：煤与瓦斯突出水射流割缝割缝复合压裂树状钻孔均衡增透