中硬煤层采煤工作面水力压挤技术应用研究

摘要

高瓦斯、低渗透性中硬煤层高产高效采煤工作面尽管在采掘前采取了一系列的瓦斯治理措施及降尘措施，但是随着机械化程度的提高，仍然存在着瓦斯超限和粉尘量大的问题。本文在综述国内外煤层注水、水力压裂和水力挤出技术的基础上，阐述了水力压挤技术与上述水力化措施的区别。 运用岩石力学、岩石流体力学、瓦斯赋存及流动理论、渗流耦合理论、弹塑性损伤力学和断裂力学等理论知识，对水力压挤过程中煤体的破坏过程和高压水对煤体瓦斯解吸规律的影响进行了研究，阐明了水力压挤防治瓦斯和降尘的机理。在研究影响水力压挤效果的基础和技术参数的基础上，采用数量化理论建立起水力压挤后煤体位移量预测数学模型，并运用正交化试验法得出影响水力压挤效果的参数的主次顺序和最佳组合。依据渗流-应力耦合理论，建立起煤体破裂过程中渗流-应力-损伤耦合模型，借助F-RFPA2D软件对高压水作用下的煤体致裂及位移过程中应力场、声发射场及位移场的变化情况进行了模拟。在淮北矿业集团祁南矿进行了水力压挤技术试验，验证了水力压挤技术具有显著的挤排瓦斯效果和防尘效果。

目录

文摘

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引 言

1 绪论

1.1 国内外相关技术研究现状

1.1.1 煤层注水技术研究现状

1.1.2 煤层水力压裂技术研究现状

1.1.3 煤层水力挤出技术研究现状

1.2 水力压挤的概念

1.3 水力压挤与相关技术的区别

1.3.1 水力压挤与煤层注水的区别

1.3.2 水力压挤与水力压裂的区别

1.3.3 水力压挤与水力挤出的区别

1.4 本文主要研究内容与方法

1.5 论文课题来源

2 水力压挤技术理论分析

2.1 煤体受压破坏机理

2.2 水力压挤过程中煤的破坏过程

2.2.1 低压渗流阶段

2.2.2 高压注水起裂阶段

2.2.3 裂缝扩展及煤体被挤出阶段

2.3 水力压挤防治瓦斯机理

2.4 高压水对煤体瓦斯解吸规律的影响分析

2.5 水力压挤防治煤尘机理

2.6 本章小结

3 水力压挤技术关键参数研究

3.1 水力压挤基础参数的研究

3.2 水力压挤技术参数的研究

3.2.1 几何参数

3.2.2 工艺参数

3.3 水力压挤注水参数优化

3.3.1 基于数量化理论的数学模型

3.3.2 注水参数优化正交试验法

3.4 本章小结

4 水力压挤过程数值模拟

4.1 数值模型的基本思路

4.2 煤体破裂过程渗流—应力—损伤耦合模型

4.2.1 渗流—应力耦合方程

4.2.2 渗流—损伤耦合方程

4.2.3 耦合计算求解步骤

4.3 水力压挤过程的模拟

4.3.1 数值模型和计算方案

4.3.2 模拟结果分析

4.4 本章小结

5 水力压挤技术现场工程应用效果研究

5.1 试验煤矿及工作面概况

5.1.1 试验煤矿概况

5.1.2 试验工作面概况

5.2 水力压挤注水系统及参数的设计

5.3 水力压挤防治瓦斯的效果分析

5.3.1 水力压挤有效影响半径

5.3.2 工作面前方煤壁位移情况

5.3.3 水力压挤期间瓦斯涌出规律

5.3.4.防治煤与瓦斯突出效果分析

5.4 水力压挤措施防尘效果的分析

5.5 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