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高压脉动水力锤击对煤体介质损伤致裂特性的研究

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变量注释表

1绪论

1.1研究意义(Research Significance)

1.2煤层注水技术及渗流研究概况(Research Situation of the Coal Seam Water Infusion Technology and Seepage Flow)

1.3研究存在的不足及课题的提出(Lack of Research Exist and Propose Topics)

1.4主要研究内容(Main Research Content)

1.5本章小结(Summar y)

2 脉动注水对煤体物理力学性质的影响及水气驱替机理

2.1脉动水压在煤体中的传播规律(Research on Pulsating Pressure Propagation Law in Coal Seam)

2.2脉动载荷诱发煤体产生疲劳损伤(Coal Seam Damage Deformation Induced by Pulsating Load)

2.3脉动注水渗流场-应力场耦合场分析(Analysis of Coulping between Seepage Field and Stress Field)

2.4煤层注水中的水气驱替机理(Water and Gas Displacement Mechanism of the Process of Coal Seam Water)

2.5 本章小结(Summar y)

3 脉动载荷诱发煤体损伤变形的数值模拟

3.1数值模型(Simulation Model)

3.2模拟方案设计(Simulation design)

3.3模拟结果及分析(Simulation results and analysis)

3.4 本章小结(Summar y)

4 煤层高压脉动注水的数值模拟

4.1ANSYS实体建模(Solid ModelingofANSYS)

4.2数值模拟(Simulation Model)

4.3模拟结果分析(Simulation results and analysis)

4.4 本章小结(Summar y)

5注水对煤体损伤致裂特性影响的试验研究

5.1试验依据及试验方案(Experimental Basis and Schemes)

5.2静压试验台介绍(TheIntroduction of theStaticPressure Experimental Station)

5.3高压脉动试验台介绍(TheIntroduction of theHigh PressurePulse Experimental Station)

5.4试验结果及分析(Results andAnalysis of theExperiment)

5.5高压脉动水力锤击对煤体作用的理论分析(Theoretical Analysis of the High Pressure Pulse Effect on the Coal)

5.6 本章小结(Summar y)

6 总结及展望

6.1主要结论(Main Conclusions)

6.2展望(Prospect)

参考文献

作者简历

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摘要

高瓦斯、低透气性煤层中扩大瓦斯排放范围是提高瓦斯抽采率核心所在,煤层脉动注水致裂技术是在常规注水致裂技术的基础上提出的一种新的瓦斯治理技术,该技术通过作用在煤壁上周期变化的力,引起煤体发生收缩-膨胀-收缩变形,累积损伤产生疲劳效应,改变注水孔周围煤体裂隙结构,增大了注水影响范围,改善煤层注水状况,驱替出煤体中的瓦斯,对低透气性的煤的安全开采有重要意义。
  本文采用理论分析、数值模拟和相似试验相结合的方法对煤层脉动注水技术开展了较为系统的研究。
  首先,在前人研究基础上总结分析了脉动注水水压在煤体中的传播规律,分析了脉动水压载荷对煤体的影响,结合断裂力学和损伤力学的理论,分析了含有孔隙、裂隙等缺陷煤体的强度及其在脉动载荷作用下煤体的损伤变形规律,并分析了煤层注水中的水气驱替原理;
  其次运用ANSYS动力模块分析了脉动注水过程中煤体全程应力、位移变化规律;模拟结果表明:为了取得最优的注水致裂效果,应在满足设备运行的前提下,尽可能提高脉动载荷幅值、载荷差和频率;
  再次,分析了煤层注水过程中的渗流-应力耦合过程,引入多孔介质有效应力概念描述煤体骨架颗粒间的作用力,分析了不同因素对煤层注水效果的影响。模拟结果表明:为了取得较好的煤层注水效果,必须保证一定的注水时间和注水压力;脉动水压载荷对煤体造成损伤,形成的裂隙扩大了有效注水面积,注水效果提升明显;
  最后设计了注水对煤体介质损伤致裂的物理模拟试验,对三种不同的煤样进行了水压致裂试验,初步试验结果表明:注水对煤体产生了不可逆损伤,距离注水孔越远,损伤量越小;在载荷类型相同时,载荷越大,损伤量也越大;潘三煤样的脉动注水量比静压注水量高80%,初步说明了脉动注水技术的优势。通过试验验证了数值模拟的正确性。

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