高压旋转磨料射流割缝卸压增透技术研究

摘要

煤与瓦斯突出是影响煤矿安全生产最严重的灾害之一,随着开采深度的增加,煤层巷道掘进过程中突出危害越来越严重,传统的防突措施已不能满足矿井安全生产需要,因此,本文提出采用高压旋转磨料射流割缝消除地应力和排放瓦斯的防突思想。
　　本文首先从旋转射流的形成方式、旋转射流的一些基本理论出发,分析轴向速度的速度场,初步建立了切向速度和径向速度的数学模型,并建立了旋转射流的运动微分方程。基于旋转射流的速度特性分析,又简单的分析了旋转射流的破岩机理和破岩方式。最后本章节将旋转射流与普通圆柱射流在射流破岩门限压力、靶距和射流扩散角作了一些对比,从而体现出旋转射流相对于普通圆柱射流的优势。
　　其次,建立煤层巷道煤与瓦斯突出受力模型,分析了影响突出的因素;依据Mohr-Coulomb屈服准则,分析了卸压区煤体的稳定性,并且提出释放煤体应力和排放瓦斯是扩大煤体卸压区宽度、消除煤体突出危险性的有效途径。而后分析了卸压后的瓦斯从解吸到逸出到割缝缝槽中的过程,即采取了“解吸—扩散—渗流”的方式进入缝槽。
　　再次,采用FLUENT和FLAC3D模拟软件对旋转射流流场和高压磨料射流割缝的卸压效果进行模拟。旋转射流流场模拟结果表明:旋转射流的轴向、切向和径向速度分别呈“M”“N”“W”,并且叶片导向角对切向速度影响较为明显,在75度时切向速度最大;卸压模拟结果表明:高压磨料射流割缝能使槽缝周围煤体所受地应力减小,煤体应力向深部和两帮转移,从而使卸压区安全宽度范围内的煤体充分卸压。
　　最后,完成高压磨料射流割缝装置系统研制,将该装置应用到晋煤集团成庄矿4321工作面进行现场试验,并研究高压磨料射流割缝消除应力和排放瓦斯的防突效果。割缝完成后,缝槽周围一定范围内煤体应力得到释放,瓦斯排放效果显著;工作面前方煤体产生位移,集中应力向深部转移,突出危险性得到降低或消除。
　　模拟和试验结果表明:高压旋转磨料射流割缝技术作为一种有效的防突措施,通过释放煤体应力和排放瓦斯,对煤体进行有效卸压,较明显的起到了防止煤与瓦斯突出的作用。

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1 绪论

1.1 研究的背景和意义(The Background and Meaning of The Research)

1.2 国内外研究现状(The Study Situation at Home and Abroad)

1.3 论文的研究内容(The Main Study Content and Methods)

2 卸压带对突出的影响及瓦斯运移规律研究

2.1煤与瓦斯突出防治的原理（Principles of Prevention Coal and Gas Outburst）

2.2煤巷卸压区对突出的影响（The Influence of the Stress-released to Gas Outburst in the Tunneling）

2.3 卸压区煤体稳定性分析（The Analysis on Stabilization of the Coal Body in the Stress-released Zone）

2.4 卸压区安全宽度和突出危险性关系（ The Relation of the Stress-released Zone Safety Width and Outburst Risk）

2.5 卸压后瓦斯运移规律（ The Law of Gas Migration After Stress-released）

2.6 本章小结（Summary）

3 旋转射流的理论及其破煤岩研究

3.2 旋转射流的速度研究（The Research on Speed of Rotary Jet）

3.3 旋转射流的运动方程(The Equation of Motion of Rotary Jet)

3.4 旋转射流的破岩过程及机理(Process and Mechanism of Rock Breaking by Rotary Jet)

3.5 旋转射流与普通圆柱射流的区别(The Difference Between The Rotary Jet and Cylindrical Jet)

3.6 本章小结（Summary）

4 旋转射流流场及卸压效果数值模拟

4.1旋转射流流场的数值模拟(The numerical simulation of rotary jet flow field)

4.2割缝卸压效果模拟分析(The Effects Analysis on Cutting Seam)

4.3本章小结（Summary）

5.高压旋转磨料射流技术研究

5.1 水射流介绍及其工艺（ The Introduce of Water Jet and Its Technique System）

5.2磨料射流的产生方式（The Pre-mixing Abrasive Jet Generation Type）

5.3 磨料射流切割煤岩分析（The Analysis of the Abrasive Water Jet Cutting Coal And Rock）

5.4 高压旋转磨料射流割缝试验装置系统研制（The Manufacture for the Cutting Seam Test Equipment System of the High Pressure Abrasive Water Jet）

5.5本章小结（Summary）

6 高压旋转磨料射流割缝防突应用研究

6.1 工作面概况（The General Situation of Coal Face）

6.2 高压旋转磨料射流割缝试验（The High Pressure Rotary Abrasive Water Jet Cutting Seam Test）

6.3 4321工作面割缝卸压试验（The Test of Slotting on 4321 Face）

7 结论与展望

7.1 主要结论（The Main Conclusions）

7.2 展望（Prospects）

参考文献

作者简历

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