潘三矿水力冲孔防突技术研究

摘要

煤炭作为基础能源，是我国实现经济可持续发展的基本保证。目前，随着我国煤矿开采深度的增加，大量煤矿将面临低透气性、地应力高、瓦斯含量高、地质情况复杂等严峻问题，严重制约着煤炭安全高效的开采。水力冲孔具有操作简单、安全性高等优势，在高瓦斯低透气性突出煤层中得以广泛应用，且在我国多个矿区取得了较好的消突效果。
　　本文通过查阅资料对现有水力冲孔技术的的研究基础上，了解了水力冲孔水射流的结构特征、几种常见的水射流破煤假说、水射流破煤的过程和影响因素及水力冲孔增透机理。同时，应用ANSYS/LS-DYNA模拟软件对高压水射流破煤的过程及水力冲孔前后钻孔周围煤体应力应变的变化进行了分析。由模拟可知，当水射流压力为10Mpa时，煤体内最终形成漏斗形的破碎坑，煤体以压碎破坏为主，拉伸破坏为辅;水力冲孔后，在地应力的作用下钻孔周围出现了大面积的应力应变集中现象，煤体向钻孔方向移动，在煤体的移动过程中，煤体内部出现拉应力和剪应力，最终导致钻孔周围煤体破碎产生裂隙，煤层的透气性得以增加。
　　最后，在潘三矿进行水力冲孔试验，单孔出煤量达到3t，冲孔过程中，出煤量和水压的关系不单纯是正相关关系，13-1煤最优冲孔水压为10～15MP;出煤总量随着冲孔时间的增加保持递增趋势，至一定程度后逐渐趋于稳定;冲孔后的瓦斯流量衰减系数仅为冲孔前的1/3，煤层透气性显著增加。通过连续37天的瓦斯抽采，冲孔影响半径达到8.5m。通过考察分析，在冲孔影响半径内，煤层的瓦斯压力和瓦斯含量显著下降，瓦斯抽采率高，取得了较好的消突效果。因此，水力冲孔技术值得在低透气性高瓦斯突出煤层推广应用。

目录

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摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水射流技术的发展概况

1．2．2 水力冲孔技术在煤炭工业的应用

1．3 研究的内容和技术路线

2 高压水射流破煤理论研究

2．1 水射流技术的分类

2．2 高压水射流的动力特征

2．2．1 非淹没射流的结构

2．2．2 非淹没射流速度分布

2．2．3 水射流冲击力与压力分布

2．3 高压水射流破煤假说

2．3．1 准静态破碎理论

2．3．2 应力波破碎理论

2．3．3 气蚀破碎理论

2．3．4 裂纹扩展破碎理论

2．4 水射流破碎煤体的主要过程

2．5 本章小结

3 水力冲孔防突技术研究

3．1 水力冲孔的工艺流程

3．2 水力冲孔破煤效果的主要影响因素

3．3 水力冲孔防突机理

3．3．1 水力冲孔钻孔周围煤体应力分布

3．3．2 应力变化对煤体渗透率的影响

3．4 本章小结

4 水力冲孔数值模拟研究

4．1 ANSYS／Ls-dyna模拟软件介绍

4．2 模拟目的

4．3 高压水射流侵蚀煤体数值模拟

4．3．1 模拟条件的假设

4．3．2 模拟状态方程及材料参数设置

4．3．3 模型构建

4．3．4 模拟结果分析

4．4 水力冲孔数值模拟

4．4．1 模拟条件假设

4．4．2 模型构建

4．4．3 模型边界条件设置

4．4．4 模拟结果分析

4．4 本章小结

5 水力冲孔技术现场试验

5．1 试验矿井和试验区概况

5．1．1 试验矿井概况

5．1．2 试验区概况

5．2 煤层基本参数考察

5．2．1 煤的工业分析

5．2．2 煤层瓦斯压力的测定和煤体瓦斯含量测算

5．3 水力冲孔设备选型

5．3．1 乳化液泵和乳化液箱

5．3．2 钻机和高压胶管

5．3．3 喷嘴选型

5．4 穿层钻孔布置

5．4．1 钻孔布置依据

5．4．2 钻孔布置

5．4．3 钻场布置

5．5 水力冲孔的安全技术措施

5．6 水力冲孔技术效果考察

5．6．1 水力冲孔现场试验的影响半径考察

5．6．2 水力冲孔前后瓦斯抽采流量对比

5．6．3 水力冲孔技术参数考察

5．7 水力冲孔防突效果考察

5．7．1 防突效果

5．7．2 瓦斯抽采效果

5．9 本章小结

6．结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果