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高压水射流割缝辅助瓦斯抽放技术研究

作　者: 于洪
导　师: 陆庭侃
学　校: 河南理工大学
专　业: 采矿工程
关键词: 瓦斯抽放低透气性煤层水射流割缝卸压增透数值模拟
分类号: TD712.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 148次
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内容摘要

瓦斯灾害是威胁煤矿安全生产的自然灾害之一,预防瓦斯灾害对煤矿安全生产具有十分重要的意义。虽然国内外专家学者在煤矿瓦斯抽放方面进行了大量的研究工作,但抽放效率低。卸压增透是提高高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽放率的重要途径,其关键技术的研究对我国煤矿瓦斯灾害防治有着深远而重要的意义。本文主要针对如何解决高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽放困难的问题,提出了高压水射流割缝强化瓦斯抽放技术。该技术是通过降低煤层原岩应力,改变煤层物理力学性质,以达到提高煤层透气性的目的。首先,研究以煤层瓦斯运移规律、高压水射流割缝卸压增透机理为基础,借助FLAC5.0软件对高压水射流割缝后煤层卸压效应以及对影响卸压效应的割缝参数进行模拟与分析,割缝后缝槽周围煤体出现大面积的卸压区域,并产生不同程度的位移及破坏;另一方面,以水射流理论及相关学科理论为基础,运用FLUENT软件对喷嘴结构进行设计,通过正交试验优化了喷嘴几何结构参数,对系统主要设备进行改进和选型,设计出了高压水射流割缝系统,并对该系统进行了性能可靠性与稳定性测试;最后,结合数值模拟结果和汝箕沟煤矿32211工作面的现场情况,确定高压水射流强化瓦斯抽放的钻孔布置方案以及割缝参数。现场工业性试验研究表明:高压水射流割缝技术可以有效地释放地应力,增加钻孔周围煤体的裂隙,提高煤体的透气性,钻孔瓦斯抽放量平均提高了3.55倍,瓦斯浓度平均提高了37%。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-11
1 绪论  11-21
  1.1 研究目的与意义  11-12
  1.2 国内外瓦斯抽放发展及现状  12-13
    1.2.1 国内瓦斯抽放发展及现状  12
    1.2.2 国外瓦斯抽放发展及现状  12-13
  1.3 低透气性煤层强化瓦斯抽放方法评述  13-17
    1.3.1 水力压裂法  13-14
    1.3.2 深孔控制预裂爆破法  14
    1.3.3 深孔松动爆破法  14-15
    1.3.4 密集钻孔法  15
    1.3.5 其它强化瓦斯抽放方法  15-17
  1.4 问题的提出  17-18
  1.5 研究内容及技术路线  18-21
    1.5.1 研究内容  18
    1.5.2 技术路线  18-21
2 高压水射流割缝强化瓦斯抽放机理分析  21-37
  2.1 概述  21
  2.2 煤层瓦斯运移规律分析  21-29
    2.2.1 扩散运动  21-22
    2.2.2 层流运动  22-23
    2.2.3 瓦斯流动状态  23-24
    2.2.4 煤层瓦斯流动的基本参数  24-29
  2.3 割缝影响下煤层卸压增透机理分析  29-34
    2.3.1 煤体渗透性的影响因素分析  29-31
    2.3.2 割缝影响下煤体裂隙的特征  31-32
    2.3.3 割缝对瓦斯解吸作用分析  32
    2.3.4 割缝对卸压瓦斯运移的影响  32-33
    2.3.5 割缝对煤层卸压增透的影响  33-34
  2.4 本章小结  34-37
3 煤层割缝卸压数值模拟研究  37-51
  3.1 概述  37
  3.2 数值模拟条件及岩石物理力学参数  37-38
    3.2.1 数值模拟条件  37
    3.2.2 岩石物理力学参数  37-38
  3.3 数值模拟方法简介  38-39
  3.4 FLAC 数值计算软件  39
  3.5 FLAC 计算原理  39-40
  3.6 FLAC 数值模拟计算流程  40-41
  3.7 计算模型设计  41-42
    3.7.1 模型设计原则  41
    3.7.2 模型范围确定  41-42
    3.7.3 网格的划分及网格离散化  42
    3.7.4 边界条件  42
  3.8 数值模拟结果分析  42-50
    3.8.1 钻孔后钻孔围岩应力变化  42-43
    3.8.2 割缝后缝槽围岩应力变化  43-44
    3.8.3 割缝前后围岩位移变化  44-45
    3.8.4 割缝前后围岩破坏分析  45-47
    3.8.5 钻孔直径对卸压的影响分析  47-48
    3.8.6 割缝宽度对煤层卸压影响分析  48-49
    3.8.7 割缝高度对煤层卸压影响分析  49-50
  3.9 本章小结  50-51
4 高压水射流割缝系统设计与试验  51-65
  4.1 概述  51
  4.2 高压割缝喷嘴的优化设计  51-58
    4.2.1 射流结构  52-53
    4.2.2 喷嘴结构及几何参数分析  53-54
    4.2.3 喷嘴结构设计数值模拟研究  54-56
    4.2.4 喷嘴参数正交试验优化研究  56-58
  4.3 高压水射流割缝系统主要设备选型  58-60
    4.3.1 高压泵  58
    4.3.2 钻机  58-59
    4.3.3 高压密封钻杆  59
    4.3.4 高压旋转密封输水器  59
    4.3.5 高压软管  59-60
  4.4 高压水射流割缝系统稳定性与可靠性测试试验  60-63
    4.4.1 测试试验内容  60
    4.4.2 测试试验准备  60
    4.4.3 测试试验过程  60-61
    4.4.4 测试试验结果分析  61-63
  4.5 本章小结  63-65
5 现场工业性试验  65-79
  5.1 矿区地质概况及其煤层基本特征  65-66
    5.1.1 试验矿井简介  65
    5.1.2 试验工作面简介  65
    5.1.3 试验区煤层的地质概况  65-66
  5.2 高压水射流割缝强化瓦斯抽放试验  66-70
    5.2.1 瓦斯抽放试验方案  66-67
    5.2.2 钻孔以及割缝参数设计  67-69
    5.2.3 高压水射流割缝施工工艺  69
    5.2.4 高压水射流割缝安全措施  69-70
  5.3 主要考察内容及方法  70-72
    5.3.1 主要考察内容  70
    5.3.2 钻孔瓦斯流量测定方法  70-71
    5.3.3 钻孔瓦斯浓度测定方法  71-72
  5.4 考察结果及分析  72-78
  5.5 本章小结  78-79
6 结论与展望  79-81
  6.1 结论  79-80
  6.2 展望  80-81
参考文献  81-85
作者简历  85-87
学位论文数据集  87

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