鉆孔水射流沖擊動(dòng)力破煤巖增透機(jī)制及其應(yīng)用研究.pdf

1、目前，我國(guó)煤礦井下瓦斯以鉆孔抽采為主，由于多數(shù)煤層具有微孔隙、低滲透率、高吸附的特征，煤層瓦斯抽采十分困難，嚴(yán)重制約了煤、氣的高效開采。鉆孔水射流增透技術(shù)是促進(jìn)瓦斯抽采的有效措施之一，在煤礦現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。然而，目前針對(duì)水射流破煤巖特性及增透機(jī)制的理論研究滯后于實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)工藝技術(shù)的改進(jìn)缺乏必要的理論支撐，亟待進(jìn)一步研究和完善。本文以水射流增透技術(shù)在礦井瓦斯抽采中的應(yīng)用為工程背景，采用理論分析、物理試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等方法，

2、深入研究了鉆孔內(nèi)水射流的沖擊特性和破煤巖機(jī)制，提出了新的水射流增透方法，并對(duì)其影響范圍及增透機(jī)制進(jìn)行了分析，取得的主要研究成果如下：
　　（1）借助壓汞、甲烷吸附和核磁共振實(shí)驗(yàn)，研究了高突煤層的孔隙結(jié)構(gòu)與吸附特征及其對(duì)水射流沖擊的響應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明：高突煤層的孔隙發(fā)育程度較低，孔間連通性較差，結(jié)構(gòu)較為密實(shí)；半開放性微、小孔大量發(fā)育，使得煤體對(duì)瓦斯的吸附能力較強(qiáng)，而開放性中、大孔發(fā)育較少，缺少滲流通道的瓦斯難以抽采；水射流的沖擊作用

3、改善了高突煤層的孔隙結(jié)構(gòu)，使得煤中微、小孔的含量減少，中、大孔的含量增加。
　?。?）建立了水射流沖擊高速攝像試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了水射流沖擊鉆孔表面的流體形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征，揭示了鉆孔內(nèi)水射流的沖擊動(dòng)力學(xué)特性。結(jié)果表明：與沖擊平面相比，水射流沖擊鉆孔瞬間即在接觸點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)“水墊”，沖擊穩(wěn)定后“水墊”的厚度增加，反射流體的面積增大，且反射角度明顯大于平面；相同水射流在鉆孔表面形成的速度和壓力峰值較小，但侵入煤體后速度和壓力下降較為緩慢，對(duì)煤

4、體具有更長(zhǎng)的破壞作用時(shí)間。在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，理論推導(dǎo)了水射流沖擊產(chǎn)生的水錘作用區(qū)域長(zhǎng)度和作用時(shí)間公式，并從動(dòng)量角度建立了水射流沖擊鉆孔的作用力計(jì)算模型。
　　（3）建立了水射流破煤巖試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了水射流壓力和靶距對(duì)破煤巖特性的控制作用，分析了水射流破煤巖的時(shí)效特性和熱效應(yīng)，揭示了鉆孔內(nèi)水射流的破煤巖機(jī)理。結(jié)果表明：水射流壓力越高，沖擊能力越強(qiáng)，相同時(shí)間內(nèi)形成的沖擊坑深度和面積越大；隨著靶距的增加，水射流沖擊能力減弱，試塊破裂度

5、提高，破裂時(shí)的沖擊坑深度和面積增大；與沖擊平面相比，水射流沖擊鉆孔形成的沖擊坑深度較小、面積較大，沖擊至破裂的時(shí)間較長(zhǎng)；從損傷和能量角度描述了孔內(nèi)水射流破煤巖過程與機(jī)制，孔內(nèi)水射流破煤巖實(shí)質(zhì)上是一個(gè)沖擊-損傷破壞過程，是沖擊載荷和準(zhǔn)靜態(tài)壓力共同作用的結(jié)果，本質(zhì)上是水射流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為煤巖體內(nèi)能的過程。
　?。?）建立了鉆孔徑向滲透率模型，分析了鉆孔直徑對(duì)徑向增透率的影響，證明了增加鉆孔直徑是提高煤層徑向增透率的有效途徑，提出了大直徑穿

6、層鉆孔的水射流成孔方法。通過數(shù)值模擬研究了水射流鉆孔對(duì)煤體裂隙演化的影響，分析了水射流鉆孔的影響半徑和最佳間距，結(jié)果表明，隨著鉆孔直徑的增加，周圍煤體的張應(yīng)力增大，鉆孔間的相互作用增強(qiáng)，次生裂隙增多，鉆孔抽采的有效區(qū)半徑提高；穿層鉆孔的抽采有效區(qū)半徑可以采用擬合關(guān)系式0001.108 ln()3.612IR r r r???計(jì)算，也可以用塑性區(qū)半徑的2倍進(jìn)行估算。
　?。?）建立了含孔煤體雙軸加載試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了含孔煤體受載特征及