磨料水射流切割煤岩的机理研究

从建立单个质点的冲击模型及冲击力分布出发，结合煤岩的脆性特性，分析研究了磨料水射流切割煤岩的特点和机理及提高磨料水射流切割效果的基本方法。     

磨料水射流切割煤岩的机理研究

从建立单个质点的冲击模型及冲击力分布出发，结合煤岩的脆性，分析研究了磨料水射流切割煤岩的机理，提高切割效果的基本方法。     

循环载荷作用下含水煤岩组合体损伤特性及裂纹扩展规律

同忻煤矿8105工作面煤岩体和隔水煤柱长期受水化作用影响,受矿震、采动应力等循环载荷扰动明显,现以该工作面为研究背景,在实验室开展了不同含水率下3种不同顶底板岩性(泥岩、砂岩、石灰岩)的煤岩组合体单轴压缩及循环加卸载试验。通过力学试验分析获得了其损伤劣化机制和能量演化规律,并基于电镜扫描、数字散斑和RFPA数值模拟,揭示了其裂纹从微观到宏观的破坏规律。结果表明：(1)随着含水率增大,煤岩组合体试件的峰值强度劣化幅度逐渐降低,4个阶段饱水百分比的试件峰值轴向应变逐渐减小,循环加卸载条件下要比单轴压缩条件下阶段劣化幅度更大,阶段劣化度由大到小依次为：N20、S20、SH20;(2)水化作用下,煤岩体结构面胶结程度降低,由致密变得软弱,循环加卸载情况下,随岩煤强度比增大组合体破坏模式由张拉-劈裂破坏逐渐向拉伸-剪切混合破坏转变;(3)基于RFPA模拟分析得出,循环加卸载下,随着顶底板岩性强度增大,组合体破裂形成的主裂隙逐渐明显,衍生的次生裂隙逐渐变少,水化作用下强度更高的煤岩组合体破坏时仍能保持更强的脆性破坏。该研究成果可为富水工作面的安全生产提供一定的参考借鉴。     

煤岩单体及原生组合体变形损伤特性对比试验研究

研究煤岩组合体在不同应力条件下的变形损伤规律,对揭示矿山动力灾害机制具有重要 意义。 在单轴加载条件下,分析原生煤岩组合体、人工煤岩组合体及煤岩单体应力-应变规律,通 过采集加载过程中试样声发射行为信息,初步探究原生煤岩组合体损伤破坏规律。 对比分析发 现:① 煤岩组合体界面的差异对煤岩组合体力学性质、声发射特征具有较大影响;② 单轴加载条 件下4种试样抗压强度依次为:岩样>人工煤岩组合体试样>原生煤岩组合体试样>煤样;③ 组 合体受载变形和峰值强度受介质间界面条件、弹性模量及尺寸效应等多重因素影响;④ 原生煤 岩组合体在加载屈服破坏阶段内部裂隙发育贯通现象相对活跃,且早期损伤主要发生在原生煤 岩组合体界面或附近煤岩体。     

液氮冷冲击煤的作用范围及力学损伤机理

低温流体液氮对煤冷冲击的作用范围、煤内部因温差形成的热应力变化规律及其对煤形成损伤的力学作用机理,均是液氮在煤岩增透领域应用中亟待研究的关键问题。利用非接触式全场应变测量装置、红外温度场测量装置和热电偶温度测量装置,测得开放环境下液氮冷冲击煤样钻孔后,钻孔周边煤体温度场及应变场随冷冲击时间的变化规律。通过建立包含弹性模量、泊松比、热膨胀系数、测点温差及测点所在半径参数的热应力模型,设计实验测得模型各参数并代入其中求解,计算得到煤岩内部不同位置处的热应力及其随冷冲击距离和时间的变化规律,并针对3类不同变质程度煤的上述规律进行对比。研究结果表明,在液氮冷冲击过程中,3类煤样内部各测点处的温度均呈现出快速降低—缓慢降低—稳定的变化规律,各测点处的热应力均经历了快速增长—缓慢增长—无增长3个阶段。距离冷冲击钻孔越近,相邻测点间的温度相差越大,所产生的热应力越大。液氮冷冲击1 800 s后,3类煤样各测点处的热应力均基本达到稳定阶段,距离冷冲击钻孔1 cm处所产生的热应力均≥1.84 MPa。液氮冷冲击能够使煤内部产生4类变形进而对煤造成损伤,其中“因压致拉”所产生的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类变形及3者相互组...     

单轴压缩煤岩裂纹开裂扩展演化特性实验研究

通过对煤岩进行单轴压缩实验,借助声发射和数字图像处理技术,对单轴压缩条件下煤岩的裂纹开裂扩展特性进行系统研究。研究结果表明:煤岩破裂过程中裂纹扩展具有阶段性的特征,其演化特征和载荷、声发射的阶段性变化有良好的同步性;煤岩破裂过程中裂纹由内向外扩展,峰值应力前,内部损伤累积到一定程度,岩石内部裂纹萌生,并逐步向岩石表面扩展;煤岩最终破坏时出现的多条宏观裂纹在变形过程中开裂扩展趋势基本一致,裂纹形状相似;煤岩微观破裂与宏观断裂之间存在一定的联系,在煤岩处于相对稳定状态时,主要产生以剪切破坏为主的裂纹,在煤岩产生小尺度破坏和宏观可见破裂时,主要产生以张拉破坏为主的裂纹。实验结果揭示了煤岩变形破坏规律,对于煤岩破裂机制研究具有一定的理论意义。     

高压水射流增透技术在突出煤层掘进面的应用

针对平顶山矿区突出煤层透气性差、措施钻孔控制范围小,掘进施工必须依靠密集区域措施孔来消除突出危险性,再加上突出煤层钻孔钻进困难,且打钻过程中易出现喷孔造成瓦斯超限的难题开展研究,提出了采用高压脉冲水射流定向卸压增透技术,来增加煤层透气性,扩大单个措施孔的控制范围,从而在消除突出危险、实现安全作业的前提下,减少措施孔施工数量,实现安全高效作业的目的。     

基于岩样变形PFC验证的多缝槽煤岩损伤特性分析

为了分析水力割缝(冲孔)瓦斯高效抽采工艺中多缝槽布置对增透机制的影响,基于岩样单轴压缩数字散斑实验与颗粒流PFC模拟岩样变形的一致性验证,采用PFC模拟单轴加载下3缝槽煤岩试样力学损伤行为,分析缝槽中心连线与水平面夹角θ、缝槽分布水平对试样强度、裂纹发育以及裂纹扩展的影响,探讨缝槽分布方式对煤层增透作用特点,并通过实验室岩样声发射实验对模拟结果进行验证。分析结果表明,采用PFC开展岩样变形模拟是可行的,缝槽分布方式会显著影响试样的损伤特性,缝槽间夹角θ呈锐角时,试样更易破坏且裂纹更易萌生发育,缝槽分布水平增加将不利于裂纹发育,夹角0°θ90°时,可增大缝槽间影响范围,夹角θ为90°且缝槽面与主应力平行分布时,非常不利于煤层切槽增透作用。     

不同预制温度煤岩冻融损伤及渗流特性研究

为探究温度对煤岩冻融损伤及渗流特性的影响规律,采用煤岩三轴伺服实验系统对煤样进行加温、加温液氮冻融、加温饱水液氮冻融3种预处理方法开展煤岩细观损伤演化及力学、渗流特征实验。研究结果表明：预热温度越高结构损伤越严重,同一温度下饱水液氮冻融煤样的损伤大于液氮冻融煤样和仅加温煤样,损伤程度与波速呈负相关,与端面损伤合维数呈正相关;不同预处理方法下,三轴抗压强度大的煤样,破坏前变形程度小;3种预处理方法都会导致煤样内部孔裂隙增多易破碎,形成裂隙网络,煤样增透效果为加温饱水液氮冻融大于仅加温和加温液氮冻融。因此,工程实践中可探索使用预热-注水-注液氮冻融的技术实现煤层高效增透,提高瓦斯抽采效果。     

煤岩破坏过程中的统计损伤模型研究

针对煤岩特性,令其微元强度服从截尾正态分布,引入变异系数参量,建立了煤岩破坏过程中的统计损伤模型。结果表明:模型在反映煤岩破坏过程演变特征时更合理。参数μ与δ分别反映了煤岩宏观强度和微元强度分布均匀性,宏观强度与参数μ呈正相关关系,与参数δ呈负相关关系。进一步对无因次宏观强度分析,发现其大小只与变异系数有关。     

高压水射流煤岩钻进机理及效果影响因素分析

对高压水射流切割煤岩的机理进行了研究,并对高压水射流切割煤岩效果的影响因素进行了分析,指出煤岩在承受高压水射流打击时,水射流的工作参数和煤岩自身的物理性能对切割钻进的效果十分有影响,合理选择水射流切割参数能够很好地提高煤岩切割钻进的效率。     

高压水射流割缝技术卸压增透机理及应用研究

基于余吾煤业高瓦斯矿井受瓦斯灾害困扰严重难题,提出了高压水射流割缝技术的卸压增透方法,对该技术切割机理、卸压增透机理进行了理论上的可行性分析,结合现场工业性试验对煤样的观察和瓦斯抽采浓度的对比,验证了该技术对煤层的卸压增透效果显著,有利于低透气性煤层的瓦斯预抽采。     

水射流卸压增透堵孔诱因及解堵新方法

在松软煤层中采用水射流割缝、水力冲孔强化瓦斯抽采时,经常出现堵孔、抱钻等现象。为解决此问题,提出破煤、清淤及排渣一体化方法及装置。通过水压控制流道方向,使高压水破煤卸压或清淤排渣。在分析堵孔、抱钻原因关键因素的基础上,基于连续介质模型,对钻孔内钻杆进行受力分析,研究抱钻力学机制,得出了发生抱钻时,钻机扭矩与堵孔长度、钻孔参数的力学关系式。在分析钻孔内水射流流场的基础上,研究了射流清淤排渣临界参数,得出清淤喷嘴临界安装位置;并研制出破煤、清淤及排渣一体化装置和工艺。现场试验应用结果表明该方法能有效消除水射流卸压增透过程中出现的堵孔、抱钻现象。     

松软煤层水射流卸压增透技术

采用水射流卸压增透技术对低透气性松软煤层进行强化抽采,通过对水射流措施过程中的平均瓦斯涌出量、出煤量、喷孔情况等关键特征进行分析,得出钻孔瓦斯平均涌出速度、出煤量是水射流卸压增透效果的有效考察指标。对于松软煤层来说,钻孔最后一次喷孔的瓦斯涌出量与时间斜率绝对值也是一个重要指标,能较直接地反应水射流措施后的卸压效果。坚固性系数在0.2左右的煤体,径向喷孔的直径在4.00 mm的情况可以较好进行水射流卸压增透。     

冲击荷载作用下煤岩动力特性试验研究

为研究陕北地区硬质煤岩的动态力学性能,利用应力加载系统和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对煤岩试件进行了基础的动、静力学特性试验,研究了其破坏机理。结果表明:静载作用下,煤岩试件多为单一裂纹破坏;而动载作用下,破坏形式比较丰富,如低应变率时的劈裂破坏和较高应变率下的压碎破坏;弹性模量与峰值应力的率相关性显著,而峰值应变的率相关性较弱;在动态加载方式下,由于加载速度过快,试件内部孔隙、裂隙、颗粒间距等缺陷闭合压实时间过短,宏观上表现为应力-应变曲线压密段缺失。     

煤试样激波冲击损伤破坏特征实验研究

在设计改造实验室台式激波管的基础上,搭建激波动压冲击作用下煤样损伤破坏测试实验系统,开展不同驱动气体条件下激波阶跃压力特性和不同压力、有无层理结构、不同层理结构煤样的冲击损伤破坏特征研究。结果表明:CO_2与空气在相同气压下煤样内部损伤效果明显且破坏程度相近;在不同激波入射压力下,无层理结构的型煤损伤破坏程度随着入射压力的增大而增大;相比无层理结构型煤煤样受冲击后强度及煤样内部致密结构受破坏程度变化剧烈,任意层理结构原煤煤样破坏程度变化较小;垂直层理与平行层理原煤煤样,在中高速射压力冲击呈现良好的一致性,在低速时平行层理承受抗压能力较垂直层理弱。     

螺旋辅助排渣水射流高压钻杆设计

针对水射流割缝过程中的排渣和密封难题,研究了水射流排渣的影响因素,提出了以流体排渣为主、机械排渣为辅的协同排渣的新思路。研制的螺旋辅助排渣水射流高压钻杆采用O型圈密封和密封管螺纹密封的组合式密封,实现耐压40 MPa。现场工业性试验表明,螺旋辅助排渣水射流高压钻杆能够有效的疏通钻孔排渣通道和降低煤屑粒径,满足水射流增透措施的排渣和密封要求。     

隙煤岩损伤破坏行为的数值模拟

利用ANSYS有限元软件,构建了孔隙煤岩细观单元的二维数值计算模型;提出了一种针对孔隙煤岩复杂几何模型的网格优化措施,实现了整体映射网格与局部自由网格相结合的划分方法,提高了生成单元的质量以及求解效率;借助单元生死技术模拟了孔隙煤岩的脆性损伤破坏过程,研究了孔隙率及孔隙形态对煤岩整体力学行为的影响。研究表明,孔隙煤岩的损伤破坏行为和孔隙率、孔隙位置、孔隙形态等几何参数有关。孔隙集中的区域会出现应力或应变集中的现象,随着孔隙率及孔隙长短轴比增大,煤岩细观单元损伤现象更加明显,弹性模量下降,煤岩强度急剧下降,且损伤阈值也有所下降。     

煤岩组合体力学特性模拟研究

为研究岩煤强度比与煤岩高度比对煤岩组合体力学特性的影响,利用颗粒流软件PFC2D对不同煤岩强度比和岩煤高度比的煤岩体进行模拟研究。结果表明:组合体破裂形态为煤体"V型"剪切破裂、煤体单一裂纹剪切破裂、煤体"X型"剪切破裂、煤岩共剪破裂4类;随着煤岩高度比的减小,冲击能量指数先增大后减小,但随着岩煤强度比的增加,冲击能量指数逐渐减小;随着煤岩高度比的减小,组合体的极限抗压强度及弹性模量均增大;随着岩煤强度比的增加,组合体的弹性模量在增大,但极限抗压强度会趋于一个稳定值。