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高压水射流割缝快速消突技术研究

作　者: 赵志坚
导　师: 陆庭侃
学　校: 河南理工大学
专　业: 采矿工程
关键词: 煤与瓦斯突出高压水射流割缝技术数值模拟快速掘进
分类号: TD713
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,随着矿井开采深度不断加深以及开采规模的进一步扩大,出现了“三高两低”(即高地应力、高瓦斯、高非均质性、低渗透性和低煤体强度)的现象,煤与瓦斯突出问题日益严峻,严重制约着煤炭工业的发展。目前常用的防突措施如:超前排放钻孔、水力冲孔、高压注水、松动爆破等,这些措施在某种程度上,取得了一定的防突效果。但是,这些措施具有施工重复率高、防突效果检验指标超标率高等局限性,特别是在严重突出煤层中快速掘进,其片面性和局限性表现的更为突出。导致突出煤层的掘进速度缓慢,采掘比例失调,严重影响煤矿的安全快速生产。在这样的技术与社会背景下,本文提出了高压水射流割缝快速消突技术。首先介绍了水射流的几何结构特性,分析了水射流破岩理论,并研究了高压水射流割缝快速消突机理;结合FLAC3D数值模拟软件,在微观尺度上对煤体的应力、塑性区进行了模拟分析,对措施的消突机理进行了补充和验证;利用ANSYS对旋转喷头的内部流场进行模拟,通过正交试验确定高压力矩喷头的优选参数;此外,通过室内剪切试验研究了含水率对晋家冲煤矿11112机巷掘进迎头煤体内聚力与内摩擦角的影响;最后通过部分理论分析确定割缝系统的其他参数,完成高压水射流割缝工艺的制定,并在贵州晋家冲煤矿进行了实施,从割缝影响范围、掘进速度、瓦斯涌出量等方面进行了效果考察、分析,试验结果显示该措施消突突效果显著,煤巷掘进速度提高了1.5倍,给煤矿带来了良好的经济效益和社会效益。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-23
  1.1 研究背景及意义  10-11
    1.1.1 以煤炭为主的能源结构  10
    1.1.2 突出煤层采掘比例失调  10-11
  1.2 国内外煤与瓦斯突出研究概况  11-16
    1.2.1 煤与瓦斯突出概述  11-12
    1.2.2 煤与瓦斯突出机理  12-16
  1.3 防突技术研究  16-22
    1.3.1 传统防突技术  16-21
    1.3.2 高压水射流割缝防突技术  21-22
  1.4 课题的提出  22
  1.5 论文主要研究内容和研究方法  22-23
    1.5.1 研究内容  22
    1.5.2 研究方法  22-23
2 高压水射流割缝快速消突理论与技术  23-48
  2.1 高压水射流理论及其破岩机理  23-28
    2.1.1 水射流几何结构特性  23-25
    2.1.2 水射流冲击力与目标岩体表面压力分布  25-27
    2.1.3 高压水射流切割破岩机理  27-28
  2.2 高压水射流割缝快速消突机理  28-34
    2.2.1 影响煤与瓦斯突出的主要因素及其分析  28-32
    2.2.2 高压水射流割缝对突出因素的影响  32-34
  2.3 高压水射流割缝系统  34-46
    2.3.1 水泵、旋转接头、喷嘴  35-36
    2.3.2 高压力矩接头的设计  36-46
  2.4 本章小结  46-48
3 煤体割缝数值模拟分析  48-62
  3.1 软件介绍  48-49
  3.2 模型的建立  49-50
    3.2.1 建立模型  49
    3.2.2 边界条件  49-50
    3.2.3 计算原理  50
  3.3 数值模拟结果分析  50-61
    3.3.1 分析截面的设定  50
    3.3.2 割缝半径对缝槽围岩卸压及塑性区影响分析  50-55
    3.3.3 割缝厚度对缝槽围岩卸压影响分析  55-57
    3.3.4 割缝前后缝槽围岩应力变化  57-61
  3.4 本章小结  61-62
4 不同含水率煤样剪切试验研究  62-70
  4.1 试验基本原理  62-63
  4.2 仪器设备  63-64
  4.3 试验步骤  64-65
  4.4 试验记录  65-66
  4.5 试验结果分析  66-69
    4.5.1 含水率对煤样内聚力的影响  68-69
    4.5.2 含水率对煤样内摩擦角的影响  69
  4.6 本章小结  69-70
5 现场实施及其结果分析  70-80
  5.1 试验矿井简介  70
  5.2 试验现场基本情况  70-71
  5.3 割缝前矿井防突技术措施  71-73
  5.4 高压水射流割缝快速消突技术应用  73-75
    5.4.1 割缝方案  73
    5.4.2 钻孔及割缝参数设计  73-74
    5.4.3 高压水射流割缝施工工艺  74
    5.4.4 高压水射流割缝安全规程  74-75
  5.5 措施效果分析  75-79
    5.5.1 机巷瓦斯排放分析  75-77
    5.5.2 校检超标率及掘进速度分析  77-79
  5.6 本章小结  79-80
6 结论与展望  80-86
  6.1 结论  80-81
  6.2 展望  81-82
  参考文献  82-85
  作者简历  85-86
  学位论文数据集  86

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