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煤炭学报 2018年第1期43卷 124-130页

作者：林柏泉王瑞乔时和中国矿业大学安全学院江苏徐州211116 一汽-大众汽车有限公司吉林长春130000

为了提高水射流破煤岩性能和卸压增透效果,通过理论分析建立了高压气液两相射流的冲击动压模型,推导出影响其破煤岩性能的关键参数体系。采用自主研发的高压气液两相射流破煤岩试验系统,研究了关键参数对气液两相射流的破煤岩特性的影... 详细信息

为了提高水射流破煤岩性能和卸压增透效果,通过理论分析建立了高压气液两相射流的冲击动压模型,推导出影响其破煤岩性能的关键参数体系。采用自主研发的高压气液两相射流破煤岩试验系统,研究了关键参数对气液两相射流的破煤岩特性的影响规律,结果表明:与纯水射流相比,气液两相射流破煤岩压力阈值降低约50%,破碎深度增加25%,破碎坑直径是纯水射流的2倍,破煤岩效率提高80%以上。煤岩体破碎是气-液-固三相耦合作用的结果:气体的掺入改变射流的结构,产生局部脉动作用,强化了射流破岩能力;高压液相脉动冲击作用激发裂纹起裂,高压气相的多级溃灭作用促进裂纹扩展;气相多级溃灭与液相脉动冲击交替作用,最终使煤岩体裂隙贯通、破坏。

关键词：水射流气液两相破煤岩多级溃灭脉动冲击

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基于“热—流—固”耦合的钻孔水射流破煤岩特性及瓦斯增产机制

基于“热—流—固”耦合的钻孔水射流破煤岩特性及瓦斯增产机制

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作者：韩培壮太原理工大学

学位级别：硕士

矿井瓦斯是制约煤矿安全生产的主要危险因素,钻孔水射流技术是目前增加煤层透气性、提高瓦斯抽采率的有效手段。水射流在钻孔内的冲击破煤岩是“热-流-固”相互影响、共同作用的复杂过程,然而现有研究多局限于煤体的受载破坏,不能全面... 详细信息

矿井瓦斯是制约煤矿安全生产的主要危险因素,钻孔水射流技术是目前增加煤层透气性、提高瓦斯抽采率的有效手段。水射流在钻孔内的冲击破煤岩是“热-流-固”相互影响、共同作用的复杂过程,然而现有研究多局限于煤体的受载破坏,不能全面阐述水射流的作用机理。水射流冲击会改变煤体应力、孔裂隙和温度的分布,其中温度会影响煤体力学性能及瓦斯解吸,其作用不可忽视,采用“热-流-固”耦合是揭示钻孔水射流破煤岩特性及瓦斯增产机制的有效途径。本文以钻孔水射流增透技术为研究对象,采用理论分析、数值模拟、实验研究等方法,围绕基于“热-流-固”耦合的钻孔水射流破煤岩特性及瓦斯增产机制开展研究,取得的主要研究成果如下:(1)升高温度会使煤体的弹性模量和抗压强度降低,水射流冲击破煤岩阈值减小。煤体的弹性模量、抗压强度随温度的增加呈线性减小,与30℃煤样相比,80℃煤样弹性模量和抗压强度分别下降了8.85%和39.73%,温度对煤体的抗压强度影响程度要大于对煤体弹性模量的影响。(2)温度变化对水射流冲击流场影响较小,冲击造成的钻孔温度变化一方面是由于水射流冲击热效应引起,另一方面是水射流与钻孔壁面的热交换导致的。随着水射流温度、压力的增加,冲击热效应增强,温度变化明显,对煤岩体的改性作用越强,相应的冲击效率也越大。(3)提高射流温度可以明显提高冲击破煤岩效率,温度的升高会使煤岩体的热应力增强,热应力的存在会促进水射流冲击壁面后向内部及两侧的剪切作用,而煤岩体的破坏由剪切力主导,高温作用下,会使钻孔水射流冲击对煤岩体的冲击损伤范围更大,破坏效果更强。(4)钻孔水射流冲击破煤岩是一个“热-流-固”多因素综合作用的过程,其冲击破煤岩过程受到射流压力、冲击靶距、流体温度的影响,冲击效果与射流压力、流体温度呈正相关,与冲击靶距呈负相关。(5)温度升高会扩大钻孔水射流冲击对煤层增透范围。钻孔水射流冲击产生的冲击力与热应力叠加共同破坏了煤层内部结构,形成微小空腔,与原生裂隙相互贯通,增大了煤岩体本身的孔隙率和渗透率,实现对煤层的增透效果,温度的升高可以有效提高增透率,射流压力为25MPa时,60℃和20℃温度下水射流冲击后煤层孔隙率差值已扩大为0.2左右。(6)基于“热-流-固”耦合的钻孔水射流冲击后抽采可以明显提高瓦斯抽采率。温度增加,会增强水射流冲击效果,扩大增透范围,同时温度会对瓦斯的吸附解吸产生影响,温度越高,瓦斯脱附速率越大,抽出的瓦斯越多,从而提高瓦斯抽采效率。射流冲击温度为60℃时,冲击后360d的有效抽采范围达到了7.98m,较20℃下有效抽采范围提高了28.7%;70℃水射流冲击后抽采360d的瓦斯抽采速率为2.39m/min,相对于常规钻孔抽采提高了4.31倍。钻孔水射流冲击可以明显改善煤层透气性,有效提高瓦斯抽采效率。

关键词： “热-流-固”耦合钻孔水射流冲击热效应破煤岩瓦斯增产

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钻孔水射流冲击破煤岩特性及机制研究

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振动与冲击 2022年第23期41卷 51-59,85页

作者：高亚斌向鑫郭晓亚韩培壮太原理工大学安全与应急管理工程学院太原030002 山西煤矿安全研究生教育创新中心太原030024

钻孔水射流增透技术是目前最具发展潜力的一类煤矿智能化瓦斯抽采技术,为了在智能化设计中明确技术参数,针对钻孔环境下水射流的冲击破煤岩特性和机制,分析了影响钻孔水射流破煤岩性能的关键参数,探讨了接触面形状对钻孔水射流破煤岩特... 详细信息

钻孔水射流增透技术是目前最具发展潜力的一类煤矿智能化瓦斯抽采技术,为了在智能化设计中明确技术参数,针对钻孔环境下水射流的冲击破煤岩特性和机制,分析了影响钻孔水射流破煤岩性能的关键参数,探讨了接触面形状对钻孔水射流破煤岩特性的影响规律,提出了水射流的多层级冲击破煤岩机制。研究结果表明:水射流冲击钻孔形成的破碎深度、破碎直径和破坏时长较冲击平面时分别浅43%、大30%和多1.3倍;水射流对煤岩体的破坏效果是外部射流冲击载荷(动载)和内部孔隙压力载荷(静载)共同作用结果;钻孔内水射流对煤岩体的破坏形式以动静载结合作用为主,射流冲击应力更易传导到煤岩体内部,造成更多裂隙通道,产生更优的卸压增透效果。

关键词：水射流钻孔卸压增透破煤岩智能化

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高压气液两相射流冲蚀破煤岩性能研究

高压气液两相射流冲蚀破煤岩性能研究

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作者：胡欣然中国矿业大学

学位级别：硕士

传统射流在割缝时系统压力高、设备能耗大,并存在一定危险性,高压气液两相流作为一种新型高效射流,可以很好的解决传统射流割缝中存在的问题。高压气液两相流破岩效率要远高于纯水射流,但是射流平台加气单元存在结构问题,导致两相流加... 详细信息

传统射流在割缝时系统压力高、设备能耗大,并存在一定危险性,高压气液两相流作为一种新型高效射流,可以很好的解决传统射流割缝中存在的问题。高压气液两相流破岩效率要远高于纯水射流,但是射流平台加气单元存在结构问题,导致两相流加气效果差,影响射流的破岩效果。本文采用理论分析、数值模拟以及实验室实验等研究手段,对射流平台加气单元参数进行优化,在此基础上改进完善射流平台,研究了两相流加气效果及复杂工况下破岩规律。主要的研究成果和结论如下:(1)对射流平台气液混合器结构进行模拟,发现混合器喷嘴距增加与内喷嘴减小,都会增大进气量,影响两相流速度分布和混合效果,但是进气量过大会导致紊流的产生,增加能量损失。结果表明,混合器内喷嘴直径为14mm,喷嘴距为0mm时,混合器内部的加气效果与速度场发育最好。(2)通过可视化实验,发现改进混合器装入实验系统后,其管内流态比原始设备要稳定,属于气泡流,而且其射流状态也更稳定。由于C2混合器的实际进气效果较好,射流状态较稳定,所以选择其作为两级加气的基本单元。(3)两级混合器引射加气能力比单级引射大幅提升,管内两相流混合效果好,射流状态也更稳定,其冲孔破岩效果也要优于单级引射。要使两相流有一个较为良好的破岩效果,实验平台的含气率预设值不宜高于40%。(4)靶距和射流压力会共同决定射流冲击状态,需要综合分析其对射流破岩的影响。射流压力15MPa时,冲孔孔深最大且受靶距的影响小,适合进行冲孔作业;在10MPa水压30cm靶距时其冲孔体积最大,适合进行扩孔作业。(5)随着煤岩强度的增加,高压气液两相流破岩效果呈指数级降低。高强度煤岩会导致液相冲击产生的微裂缝变少,气相的小气泡溃灭扩展微裂隙的能力也减弱,以至于裂纹难以扩展。煤岩强度为射流压力的1.5和1.2倍时,冲孔孔深和冲孔体积分别达到很好的冲蚀状态。(6)射流冲击会产生应力波和径向射流,径向分量使靶体产生微裂隙,并在气泡的气蚀作用下逐渐扩大成宏观损伤,产生贯通裂缝。当试块处在围压中时,静压载荷能够抵消射流的径向分量,阻止裂隙的产生。而当静压载荷在不同方向存在差异时,射流的径向分量会在载荷较低的方向产生拉伸作用致裂试样。论文研究成果对完善气液两相射流平台,了解两相流破岩规律及致裂机理,改进现有水力割缝技术,提高割缝破岩效果具有重要的指导意义。

关键词：气液两相射流引射器可视化破煤岩煤岩强度围压

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高压气液两相射流交互响应破岩规律及致裂机制研究

高压气液两相射流交互响应破岩规律及致裂机制研究

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作者：王瑞中国矿业大学

学位级别：硕士

随着煤炭资源开采深度和难度的增加,如何强化瓦斯抽采和提高煤层透气性,已经成为制约煤炭科学绿色开采的重要方面。目前,水力割缝技术已经成为治理煤矿瓦斯灾害,实现煤层卸压增透的主要技术手段之一。高压气液两相射流作为一种新型高效... 详细信息

随着煤炭资源开采深度和难度的增加,如何强化瓦斯抽采和提高煤层透气性,已经成为制约煤炭科学绿色开采的重要方面。目前,水力割缝技术已经成为治理煤矿瓦斯灾害,实现煤层卸压增透的主要技术手段之一。高压气液两相射流作为一种新型高效的多介质强力射流,在冲蚀破岩性能上优于传统单介质射流。两相介质射流的研究,主要停留在以射流参数单因素条件影响下的破岩试验研究,对于多参数及两相耦合作用破岩机制缺乏深入的研究。针对现有的问题,本文基于现有气液两相射流技术,采用了理论研究、物理相似试验和数值模拟等研究手段,对高压气相空泡溃灭的动力学分析,两相射流参数交互作用及破岩致裂机理开展研究。取得主要研究成果如下:通过建立不同含气量空泡运动方程及数值模拟,利用冲击试验,得到了空泡溃灭微射流时空演化规律,揭示了高压气相溃灭冲击特征。研究表明:空泡溃灭是脉动演变过程,其时空演化进程分成三个阶段:压差驱动增长、形变收缩、溃灭射流产生。溃灭射流会产生极强冲击动压,距靶面越近,压差越大,溃灭动压峰值越高,击穿历时越短。射流脉动冲击频率由于空泡的溃灭扰动而增加。离靶距越近,射流压力越高,两相射流冲击频率越高。利用交互实验,验证了射流参数的组合存在交互作用,并确定影响冲孔深度等响应特征的因子组合。结果发现:冲孔深度与射流压力变化呈正相关性,而含气率则呈现“滞后”特点。高压条件下,射流压力的主效应作用比靶距要显著;在低压条件下,冲蚀体积受靶距的影响大于射流压力。冲蚀表面积随喷嘴直径增大先增后减。射流压力越大,冲蚀表面积受喷嘴直径的影响越小。搭建围压割缝系统,研究分析了围压环境下原始煤岩割缝破坏的动态响应特征。结果发现:低压参数组合煤样表面破坏程度大于高压条件组合,射流压力与含气率的相互作用存在一个合理的优化组合,冲击压力影响破碎时间,且破碎的增益效果受直径限制。低围压下,表面应变变化明显,横向裂纹出现且裂纹延展深度变小。高围压条件下,煤岩体断裂呈现纵向贯穿特征。通过微观和宏观尺度研究煤体孔隙结构和裂纹扩展模式,研究表明:射流冲击作用后,煤体微观孔隙发生破碎并与原始裂隙相互贯通,含气率越高,射流压力越大,靠近裂隙边缘处,冲击坑洞密集分布。与原始煤岩相比,分形维数小比例增加,分形特征更明显。高压气液两相射流破岩是高压液相脉动冲击和应力波、高压气泡溃灭微射流多级溃灭作用和煤岩体原始裂隙,气-液-固三相耦合作用下的结果。高压气相与高速液相的多级脉动作用是岩石断裂破碎的主因。高压液相以冲击荷载与应力波的形式作用于煤体表面,岩体损伤产生并累积。高压气泡连续溃灭微射流冲击作用下原始裂隙沿周向延伸形成分叉次级裂纹,次级裂纹持续受空泡“扩展-锲入-破坏-贯通”作用形成新的裂纹,裂纹不断延伸、贯通并使岩体产生破碎。论文研究成果对了解气液两相射流综合破岩规律及致裂机理,改进现有水力割缝技术,提高割缝破岩效果具有重要的指导意义。研究期间发表相关中文EI论文1篇,授权相关发明专利7项。

关键词：气液两相交互响应破煤岩多级溃灭脉动冲击

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