磨料射流割缝技术防突机理及应用

为改善李子垭南二井3102北机巷掘进碛头瓦斯预抽时间长、掘进速度慢的现状,通过对磨料射流使煤(岩)体损伤模型及防突机理的分析,研究了磨料射流切割破碎煤(岩)体的过程;利用磨料水射流切割煤矸石的实验研究,确定了磨料射流切割煤矸石的各种参数,并研制了一套新型的适合于现场应用的磨料水射流割缝装置。现场试验表明:磨料射流能够切穿单轴抗压强度为62MPa、60～80mm厚度的煤层夹矸,在煤层中形成缝槽,增大了瓦斯涌出自由面,促使煤体大范围快速卸压,增强煤层透气性,首月内瓦斯单孔平均抽采量提高了2.83倍。     

高压水射流螺旋式切槽辅助松动爆破模型

基于水射流独特的切割优势提出了高压水射流螺旋式切槽辅助松动爆破的新方法,实验研究了高压水射流切割煤岩体所形成缝槽的断口形貌并建立了其几何模型.在此基础上,基于断裂力学理论同时结合Westergaard方法,确定了复变函数,进而推导出爆生气体准静态作用下射流螺旋切槽孔的应力场公式,得到了射流螺旋切槽孔缝槽尖端应力强度因子计算公式,并分析了高压水射流切槽辅助松动爆破松动效应.最后,采用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件对该模型进行了验证,结果符合较好.     

水射流促进煤基质收缩提高煤层透气性机理分析

高压脉冲水射流割缝是新型有效的增透技术,但增透机理尚未明确,制约了其在不同赋存条件煤层中的推广应用.文中从煤基质收缩提高煤层透气性角度出发,在分析高压水射流冲击煤体的动态效应基础上,得出冲击动态方程;理论分析了在高压脉冲水射流作用下煤基质的受力状态,得出了高压脉冲水射流能够促使煤基质收缩,并推导出射流冲击力-煤基质的关系方程,在此基础上采用P-M模型,得出射流作用下煤层内瓦斯渗流方程,为高压脉冲水射流割缝增透技术的推广应用提供了理论支撑.     

高压水射流的最佳切割靶距

本文根据高压水连续细射流穿透固体的理论,结合水射流在空气中发散、速度衰减的经验公式,推导出了水射流切割方程,求解出了满足于实际应用中的限制条件的最大切槽深度及其对应的最佳靶距,为高压水连续细射流切割板材的实际应用作了一些必要的准备。     

近距离煤层群水射流割缝卸压石门快速揭煤技术分析

针对西南地区高瓦斯近距离突出煤层群层间距小于7 m时,石门揭煤工作面前方多层煤层需统一消突管理,常规超前钻孔工程量大,严重制约了煤矿安全生产和采掘工作面接替等问题,提出采用穿层钻孔水射流割缝防突技术,一次性对石门工作面前方煤层群统一卸压增透,快速安全揭煤的思路。以贵州雷公山煤矿为例,采用FLAC3D模拟了不同缝槽布置方式以及缝槽间距对煤层群卸压效果的影响。研究表明：多煤层煤孔中部均布置一个缝槽,同一煤层内缝槽间距为4 m,可使石门揭煤工作面前方控制范围内煤体整体卸压。现场应用证明：采用水射流割缝技术,预抽达标时间缩短约39 d,钻孔工程量减少610 m,钻孔数量减少30个,可实现快速安全揭煤。     

低透气性煤层水射流瓦斯增透关键技术研究

低透气性煤层瓦斯抽采问题一直是中国煤炭企业在安全生产中的一个重要课题。基于流体连续介质理论,联立连续性方程、Euler方程、能量方程及张量总和表达式建立水射流冲击煤体的控制方程,给出射流压力与射流流速及流量的关系式,确定射流压力与射流流速及流量之间呈正相关趋势。通过ANSYS/LS-DYNA模拟研究水射流压力与切割半径间的关系,结果表明射流压力越大,切割深度越远,但切割压力越大,伴随而来的峰值应力不稳定现象越剧烈;冲击水压为60 MPa时,冲击深度趋于平缓峰值,冲击效率较高。采用实验室实验方法确定水射流喷口半径,初步检验水射流对低渗透煤体的切割效果良好。工业性试验结果表明水射流增加了煤体贯通裂隙,扩大了瓦斯的渗出范围,瓦斯抽采效率明显提升。     

高压水射流割缝揭穿煤层关键参数研究

针对高瓦斯低透气性煤层石门揭煤过程中瓦斯抽采难的现状,提出了高压水射流割缝提高煤层透气性方法。在理论分析射流轴向速度的分布规律基础上,得出射流冲击力与煤体力学性质耦合作用关系;通过分析煤体颗粒运动、受力状态,得出钻孔倾角、水量与煤体颗粒流速之间的关系;基于连续损伤力学分析出煤体产生损伤破坏的临界值,确定了高压水射流割缝煤体有效半径;并将该技术在平顶山某矿-380 mS4〖KG-*6〗石门进行现场试验,试验结果表明钻进工程量减少了38.2%,瓦斯预抽率提高了2.86倍,预抽时间缩短了57.1%,预抽面积增加     

高压水射流割缝防治冲击地压的数值模拟

冲击地压是采矿业中突发性、瞬息难以预见的灾害,它的发生常常会造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此,研究便捷、可靠的防治方法,成为防冲减灾工作中的重要课题之一。传统的防治方法各有不足,将高压水射流割缝技术引用到防治冲击地压当中来,实现了本层煤的解放。基于ANSYS有限元软件建立高压水射流防治冲击地压的有限元模型,并对割缝后各部分的应力变化进行了数值模拟。结果表明,高压水射流割缝技术不但能够实现煤层卸压,而且卸压效果较好,具有很好的发展前景。     

水射流卸压增渗及抽采瓦斯效果的渗流力学数值解

为提高低渗煤体的瓦斯抽采性能,以重庆天府三矿为研究目标区,采用低温液氮吸附法和压汞法测定了煤层孔隙结构,分析了重庆天府矿区煤体低渗的原因,结果表明,煤体孔隙多为两端开口的平板状、管状孔,孔隙的连通性好,压汞渗透率是原位煤体渗透率的2×105倍,煤体孔隙本身的渗透性较好,煤层低渗为高地应力所致。进行了底板穿层钻孔高压水射流卸压增渗试验,试验表明,卸压后煤层渗透率增加了90倍,抽采率从17%提高到了58%,抽采量增加了4.8倍。建立了瓦斯抽采的渗流力学方程,解算了卸压增渗透前后的不同抽采时间条件下的抽采半径,优化了合理布孔间距、抽采时间,为水射流卸压抽采瓦斯效果评价提供了理论指导。     

急倾斜煤层分段开采下部煤岩体应力及位移演化规律

为了掌握急倾斜特厚煤层分段开采时工作面下部煤岩体应力及位移演化规律,采用数值模拟方法研究了工作面下部煤岩体和工作面底板的应力及位移分布,并分析了分段高度和开采深度对下部煤岩体应力及位移的影响。研究表明：上分段开采后,下部不同深度煤岩体卸压范围均呈长轴沿煤层走向的椭圆状,但卸压范围并不对称,底板侧和顶板侧的煤岩体卸压程度不同,靠近底板侧卸压程度更大。下部煤体卸压深度大小为底板侧>工作面中部>顶板侧。煤层底板不同深度出现不对称卸压区,靠近回采分段上端部的煤层底板处垂直应力明显集中。急倾斜煤层分段开采,段高对下部煤体的卸压深度范围影响较小。开采深度不同时,随着埋深增加,工作面下部煤岩体应力集中区域增大,下部同一深度煤体的垂直应力、垂直位移均出现明显增加,开采深度对工作面下部煤岩体的卸压范围影响明显,埋深越大卸压范围也越大。     

高压水射流破岩应力波效应的数值模拟

高压水射流破岩是一个涉及诸多因素的复杂的非线形动力学问题,利用非线形有限元法,采用动态接触模拟高压水射流对岩石冲击作用.结果显示岩石内部最初受到冲击时的不稳定性由强变弱,反映了岩石的动态响应特性;模拟了在不同冲击速度下应力波在岩石中的传播和衰减过程,结果表明应力波的传播速度与冲击速度成正比,射流速度越大,应力波衰减越快;同时还模拟了以相同的速度分别冲击砂岩和煤时的应力波效应,计算表明在相同的冲击速度下,射流冲击煤的局部性效应比冲击砂岩时更为显著,应力波在砂岩中的传播范围要广泛一些.     

油井中磨料射流割缝机理研究

研究了油田油井中磨料射流割缝的机理,阐明了磨料射流割缝时流体在缝隙中流动的状态,讨论了水力喷砂割缝时射流流动情况,认为在套管中对套管割缝时系自由淹没射流,说明了油井中磨料射流割缝是三面附壁复合射流的原理,解释了不同材料在高压水射流作用下的破坏形式和为什么淹没磨料射流在压力很低的情况下仍然能够将靶距为1000mm以外的5mm钢板击穿。     

水射流辅助刀具切削钴结壳

为了减小钴结壳切削过程中产生的冲击载荷,提高集矿机的行走安全性,提出了水射流辅助刀具切削钴结壳的切削方法.分析了单个截齿切削钴结壳时的受力情况,建立了水射流辅助刀具切削钴结壳的力学模型,通过仿真计算获取了水射流压力和刀具在钴结壳表面产生初始裂纹所需最小切削力的作用规律.仿真结果表明:与纯刀具切削相比,当水射流作用点和刀具作用点重合时,刀具在钴结壳表面产生初始裂纹所需的最小切削力明显下降;随着水射流压力的增加,刀具所需的最小切削力急剧下降.开展了水射流辅助刀具切削钴结壳模拟料实验.实验结果表明:与纯刀具切削钴结壳相比,水射流辅助刀具切削钴结壳时,切削过程中冲击载荷的最大值明显下降,当射流压力为5 MPa时,冲击载荷的最大值下降约50%,有效值下降约10%.     

超高压水射流破岩及切割实验研究

利用国产高压水射流切割系统 ,对不同性质的材料进行了切割实验 ,考察了泵压、喷嘴横移速度、喷距和聚丙烯酰胺质量分数对射流切割效果的影响。实验结果表明 ,射流的驱动泵压与其切割深度成正比 ,喷嘴横移速度和喷距增加将使切割深度降低。聚丙烯酰胺对射流切割系统具有双重作用 ,因而其质量分数存在一个最佳值。对大理石、花岗岩和标准铝板等材料的切割实验表明 ,在其他实验条件一定的情况下 ,无孔隙材料的切割深度远低于有孔隙材料。     

高压水射流深穿透射孔增产机理研究

高压水射流技术是切割破岩、清洗除锈、油田增产的新技术。在分析钻井侵入带和常规聚能射孔压实带对油井产量影响的基础上 ,探讨了高压水射流定向深穿透射孔的油井增产机理。研究结果表明 ,采用高压高速射流技术 ,可以切割破岩、减轻近井地带应力集中和穿透近井污染带 ,其结果可以使油井获得增产增注。讨论了该技术用于定向射孔压裂进行油藏改造的可行性     

高压水射流破岩钻孔过程的理论研究

对高压水射流破岩钻孔的试验结果、岩石内孔隙流体的运动规律以及水射流破岩过程中的能量分布变化趋势进行了分析 ,对高压水射流破岩钻孔过程进行了系统的研究。研究结果表明 ,高压水射流破岩钻孔过程分为两个阶段 ,初期以应力波作用为主 ,形成岩石损伤破坏的主体 ;后期以射流准静态压力作用为主 ,主要是使岩石孔眼直径扩大。水射流破岩钻孔过程中射流和岩石的相互作用以界面耦合为主 ,水射流的冲击载荷在岩石内产生的应力波和射流准静态压力共同作用使岩石破碎 ,其中应力波的作用占主导地位。     

高压水射流切割装置和切割试验研究

高压水射流切割是一项正在发展中的新技术,由于它具有许多其它切割技术所不能比拟的优点,因此日益受到人们的注意和重视。本文介绍了高压水射流切割的装置和对非金属板材切割试验的情况,得到了射流压力、喷嘴口径、靶距、进给速度与切割深度之间的关系,探讨了高分子聚合物对射流性能的影响。此外,还介绍了对板材进行复杂形状的切割等。