高压水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元法和岩石动态损伤模型对高压水射流破岩过程进行了模拟，结果表明，水射流破碎岩石主体所用的时间为毫秒量级，普通连续水射流破岩的主要形式是卸载及射流冲击所产生的拉伸破坏，并呈“阶跃式”发展。在此基础上，探索了水射流参数对破岩效果的影响，数值计算与试验结果吻合良好，表明利用该方法分析水射流破岩过程和机理是可行的，所得结论可作为水射流破岩体系设计和优化的依据。     

淹没条件下超高压水射流破岩影响因素 与机制分析

超高压水射流辅助破岩是提高机械钻速的有效途径,水射流破岩效果影响因素及机制研究是其关键之一.选取100～200 MPa 共5档驱动压力和3种岩样,实验研究淹没条件下水射流驱动压力、喷距、作用时间和喷射角4个因素对冲蚀切割破岩效果的宏观影响规律.采用全解耦流固耦合数值分析方法,对超高压射流破岩过程中耦合系统应力场进行计算,建立岩石宏观断裂规律与微观破坏机制间的联系.研究表明,淹没条件下超高压水射流冲蚀切割破岩存在最优喷距和喷射角:100 MPa时最优喷距约为15倍喷嘴直径,200 MPa时约为20倍喷嘴直径,随压力的增加而增加;最优喷射角为12°～14°.超高压水射流作用下岩石的破坏发生在毫秒量级,主要是拉伸和剪切破坏作用,是由射流冲击应力所造成.研究可为超高压射流辅助钻井技术中水力参数优选及钻头设计提供参考依据.     

高压水射流–机械齿联合破岩数值模拟研究

采用非线性动态有限元法，结合实际工况条件，建立了高压水射流–机械齿联合破岩的数值模型。研究了高压水射流破碎岩石过程，并提出了2个临界压力的概念。计算结果表明，联合破岩的破碎效率约为高压水射流和机械齿分别破岩之和的2倍，射流和齿的间距在13 mm左右最佳。当射流压力足够高时增大转速有利于提高破岩效果；当钻压增加到一定值后，其对破岩效率影响不大；破岩效率与静水压力成反比。     

基于高压水射流破岩的岩石损伤破坏效应研究

由于高压水射流破岩的影响因素繁多和作用机理的复杂,运用动态非线性有限元法,进行高压射流的数值试验,分析破岩过程中应力及破岩深度变化,以破岩过程中诸如射流速度、射流直径、射流入射角度、射流束数等控制参数为研究方向,基于ANSYA/LS-DYNA进行不同井深条件岩石破坏的显示动力有限元分析。结果表明,进行高压水射流破岩时选取不同射流控制参数所实现的射流效率明显不同,射流速度和射流直径的增大都会增加破岩的深度;射流垂直入射时,破岩效果最好;射流束数和破岩深度成反比。以本文研究结果指导实际现场操作,可以有效提高破岩效率。     

高压水射流-机械齿联合破岩数值模拟研究

采用非线性动态有限元法,结合实际工况条件,建立了高压水射流–机械齿联合破岩的数值模型。研究了高压水射流破碎岩石过程,并提出了2个临界压力的概念。计算结果表明,联合破岩的破碎效率约为高压水射流和机械齿分别破岩之和的2倍,射流和齿的间距在13mm左右最佳。当射流压力足够高时增大转速有利于提高破岩效果;当钻压增加到一定值后,其对破岩效率影响不大;破岩效率与静水压力成反比。     

超高压水射流辅助破岩钻孔研究进展

将喷嘴出口压力大于140 MPa定义为超高压水射流.介绍了早期超高压水射流钻孔试验及其应用,综述了超高压水射流辅助深井钻孔技术的发展状况,概括了超高压水射流辅助破岩机理和岩石性质与水射流结构参数对破岩效果的影响规律.在此基础上,对今后超高压水射流辅助破岩技术的研究提出了一些建议.     

射流作用下岩石局部渗流压力分布的研究

高压射流辅助破岩在油气井钻井工程中得到广泛应用，其破岩机理还很不明了。本文提出了射流作用下岩石局部范围具有较高渗流压力的思想，并认为该渗流压力大小对射流破岩有重要影响，建立了该渗流压力的计算模型。通过在地面条件下，射流作用于湿砂岩体的多因素数值计算与分析得出：射流的喷射速度大，岩石局部范围内的渗流压力也较大；计算平面的深度位置增加，岩石渗流压力明显减小；压力波（纵波）在岩体中的传播速度变化，对岩石局部范围内的渗流压力影响不大的规律，这对认识岩石在射流作用下的破碎机理有重要意义。     

水射流冲击含饱和流体岩石介质耦合机理分析

根据含饱和流体的岩石孔隙介质在水射流冲击下包括水射流与岩石、水射流与孔隙流体以及孔隙流与孔隙固相介质三种耦合作用,建立了淹没条件下水射流冲击孔隙介质的耦合分析的理论模型,给出了数值计算方法。按建立的模型计算了出口速度为447.2,547.7和632.5m/s的水射流冲击岩石时水射流流场、岩石孔隙介质内渗流场和应力场的分布规律,为高压水射流破岩机理的研究提供一种新的数值方法。     

旋转射流破岩成孔规律研究

在前期对旋转射流结构特性及流动特性研究的基础上，利用试验的方法研究了射流压力、喷距、岩石的渗透率及强度、添加剂的浓度等因素对旋转射流破岩效率的影响。同时，研究了岩石渗透率对旋转射流和普通圆射流影响的区别。研究结果表明：在同喷距同射流压力条件下，破岩效果随着岩石强度的减小、岩石渗透率的增加而增加；相比而言，岩石的渗透率在射流的破碎效果中起着主要作用；在相同射流压力条件下随着添加剂浓度的增大，岩石的破碎深度、破碎直径和破碎体积都表现出增大后减小的变化趋势。本试验条件下的最优浓度为200－300mmp，随着渗透率的增大，旋转射流破岩成孔的效果明显优于普通圆射流的破岩成孔的效果。     

射流作用下岩石局部渗流压力分布的研究

高压射流辅助破岩在油气井钻井工程中得到广泛应用,其破岩机理还很不明了。本文提出了射流作用下岩石局部范围具有较高渗流压力的思想,并认为该渗流压力大小对射流破岩有重要影响,建立了该渗流压力的计算模型。通过在地面条件下,射流作用于湿砂岩体的多因素数值计算与分析得出:射流的喷射速度大,岩石局部范围内的渗流压力也较大;计算平面的深度位置增加,岩石渗流压力明显减小;压力波(纵波)在岩体中的传播速度变化,对岩石局部范围内的渗流压力影响不大的规律,这对认识岩石在射流作用下的破碎机理有重要意义。     

厚煤层巷内预置充填带无煤柱开采技术

 为减少厚煤层开采的区段煤柱损失,提出巷内预置充填带无煤柱开采技术,即在上区段回采工作面前方的运输平巷内,紧靠下一区段的巷帮煤壁,预置一条矸石混凝土巷内充填带,下区段回风平巷掘进时,沿预置的充填带进行掘进,实现厚煤层工作面无煤柱开采,用预置充填带把上下2个区段间应留设的区段煤柱置换出来。若上区段运输平巷为普通断面,如要实施此项新技术,首先,对上区段运输平巷靠近下区段工作面侧的煤壁,实施扩帮和支护;然后,在工作面前方扩帮位置处紧靠煤壁实施充填,预置巷内充填带。此项技术的关键是巷内充填材料的选择与配比,在保证充填体和巷道围岩稳定性的前提下,要尽可能减小充填体的宽度。充填材料选用的是以矸石渣为主辅以少量水泥、河沙加水混合而成的胶结体,水泥、河沙、矸石渣按1∶1∶4.7质量比例进行配比。现场工业性试验表明,该项技术的应用是成功而有效的,可实现厚煤层无煤柱开采,提高煤炭资源采出率,该成果已取得明显的经济效益。     

考虑有效应力的钻屑量理论分析及试验研究

考虑深部开采条件下水平地应力作用不能忽略,引入有效应力,推导得到新钻屑量公式,分析给出了有效应力与钻屑量间关系,提出了通过有效应力判断钻屑量方法。在此基础上以典型阜新孙家湾矿突出危险煤层为例,利用自主研制的三维应力煤体钻屑量检测试验装置,改变轴压模拟垂直地应力、围压模拟水平地应力、孔隙压模拟瓦斯压力作用,进行了实验室尺度下钻屑法模拟试验,研究了有效应力、煤层深度、瓦斯压力对钻屑量影响规律。研究结果表明:钻屑量与有效应力呈线性递增关系,试验值略大于理论值,平均误差为7.9%,与前人结论一致,验证了新钻屑量公式有效性及三维应力煤体钻屑量检测试验装置可靠性;随着煤层埋藏深度增大,钻屑量越大,钻屑量与煤层深度呈线性递增规律,且钻屑量随钻孔深度增加呈先减小、后递增、最后缓慢递减规律,在钻孔深度12.5 cm处钻屑量最大,表明此处为应力集中区;钻屑量随瓦斯压力增加,呈指数函数递增规律,瓦斯压力越大,孔壁裂纹扩展越明显,说明瓦斯对煤体软化作用越显著。上述研究结论对该矿深部煤与瓦斯突出预测和防治具有重要参考价值。     

“三硬”条件煤层压变区域失衡冲击理论及应用

冲击地压是一种矿山动力灾害,是煤矿井工开采领域的难题之一,“三硬”条件下的冲击现象更为复杂,是开采此条件煤层亟待解决的问题。本文利用相似模拟试验揭示了“三硬”条件煤层应力集中和分布规律,结合数值模拟分析了工作面前方能量积聚情况,总结了“三硬”条件冲击地压的特征及发生过程,提出压变区域失衡冲击理论。理论认为:采、掘活动引起采煤工作面周围应力重新分布和集中,继而煤层出现软化破坏区、硬化弹塑区和裂隙压密区。软化破坏区吸收硬化弹塑性区煤体破坏释放的能量。当硬化弹塑区单位时间内释放能量大于软化破坏区吸收能量时,压变转化动平衡遭到破坏继而发生冲击地压。在此理论的指导下提出以煤层卸压孔为主、顶底板卸压槽、爆破为辅的“三硬”条件冲击地压防治措施,在实际应用中取得显著效果。     

应力-损伤-渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程,建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。模拟结果表明,采动影响使得处于其上部67m的煤层卸压,透气系数增大了2000多倍,卸压范围70m左右,同现场实际观测结果比较吻合。这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。     

电荷感应法检测煤层注水防冲效果研究

为了探究电荷感应法检测煤层注水防冲效果,采用试验方法开展了不同含水率煤样单轴压缩破坏电荷规律的研究。理论分析了水对煤样物理力学性质和煤样产生电荷信号特征影响的规律,并对现场煤层注水过程进行了电荷感应现场监测,分析了注水前、中、后电荷信号变化规律以及产生原理。研究结果表明:水的存在减弱了煤样内部颗粒之间的摩擦作用,促进了微孔裂隙的增长与发育,导致水对电荷信号的产生起到弱化作用,出现有应力降而无电荷信号产生以及电荷信号滞后的现象;随含水率增高,煤样电荷均幅呈指数函数递减趋势;得到了煤样电荷均值与含水率的关系式,进而得到耿村煤矿符合煤层注水防冲要求的含水率增量对应的电荷降幅理论百分比为50.13%。由此可根据现场煤层注水前、后电荷降幅实际百分比与理论百分比相比较,就可对煤层注水防冲效果进行初步评价;现场监测结果表明煤层注水前和注水过程中,监测的电荷幅值较大,注水后电荷幅值与注水前相比降幅为52.65%,大于试验室理论结果,符合煤层注水要求。因此,电荷感应方法可以用来检测煤层注水防冲效果,但还需要大量的试验室以及现场试验进行不断的修正和完善。     

高压注水煤层力学特性演化数值模拟与试验研究

 为从细观上揭示高压注水过程中煤体裂隙扩展、应力场演化和高压水体在煤体中的渗流规律,利用考虑煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性特征并基于煤岩破裂过程固–流耦合动力学模型开发的RFPA2D-Flow软件系统对祁南煤矿721工作面煤层高压注水进行数值模拟,同时进行高压注水现场试验研究。数值模拟结果表明：在高压水挤压作用下,钻孔周围煤体逐渐损伤、破坏,裂隙进一步扩展,渗透能力大大增加,渗透系数最大可以由0.5 m/d增加到1 580.0 m/d,在钻孔附近煤体处平均增加14倍。现场试验结果表明：采取高压注水工艺后,工作面前方煤体卸压带宽度由2.5 m增加到3.5 m,应力集中带向煤体深处推移1.0 m,表明高压注水消突效果比较明显。