低透煤割縫弱化松弛機(jī)理及流固耦合特性研究.pdf

1、我國(guó)煤氣資源豐富，而瓦斯?jié)B透率低是制約我國(guó)絕大部分煤層煤氣高效共采的關(guān)鍵因素。水射流割縫是有效的層內(nèi)增透方法，能顯著提高煤層瓦斯抽采效率，在煤礦井下得到了廣泛的應(yīng)用。但是，針對(duì)水射流割縫強(qiáng)化瓦斯抽采機(jī)理研究不夠深入，并且主要以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值分析為主，對(duì)動(dòng)靜荷載耦合下割縫煤體破裂行為及含瓦斯煤割縫流固耦合特性方面的研究較少。本文以煤礦井下水射流割縫增透技術(shù)為工程背景，采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，以低透煤數(shù)值和

2、物理重構(gòu)為基礎(chǔ)，從割縫煤體弱化特征及細(xì)觀機(jī)制、射流沖擊-地應(yīng)力耦合作用下煤松弛機(jī)理、含瓦斯煤割縫流固耦合特性和割縫預(yù)抽后煤宏-微觀參數(shù)變化機(jī)制等方面，綜合闡明了低透煤割縫弱化松弛機(jī)理及流固耦合特性，取得主要研究成果如下：
　?。?）提出了灰色田口-響應(yīng)面法-馬氏距離多參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化方法，為快速地物理和數(shù)值重構(gòu)低透煤提供了一種有效的途徑。通過因素篩選實(shí)驗(yàn)獲得了煤宏觀參數(shù)（抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比）的主控細(xì)觀參數(shù)，采用響應(yīng)面法建立了

3、煤的宏-細(xì)觀參數(shù)模型，基于煤的宏-細(xì)觀模型并結(jié)合約束條件，可以快速地找到與目標(biāo)相匹配的細(xì)觀參數(shù)集。
　?。?）根據(jù)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)和來回抽拉的組合，對(duì)割縫方式進(jìn)行了歸納；采用孔槽比和縫槽傾角描述了不同割縫方式下縫槽的形態(tài)特征，建立了40種縫槽形態(tài)的幾何模型，得到了割縫煤體抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比隨孔槽比和縫槽傾角的變化規(guī)律。提出了“縫槽弱化度”來定量描述割縫煤體力學(xué)性能的弱化程度，通過線性插值得到了基于不同指標(biāo)定義下的縫槽弱化度圖譜。借

4、助顆粒流原理，構(gòu)建了與物理實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的數(shù)值模型，揭示了割縫煤體破裂的細(xì)觀力學(xué)模式及細(xì)觀參數(shù)的變化特征，指出了縫槽通過控制煤的細(xì)觀特征來改變宏觀參數(shù)，進(jìn)而呈現(xiàn)煤割縫力學(xué)性能弱化的現(xiàn)象。
　?。?）實(shí)現(xiàn)了射流沖擊-地應(yīng)力耦合下煤松弛的物理模擬。實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)加速度信號(hào)與射流沖擊過程及試樣的松弛過程存在較好的一致性。7MPa射流沖擊誘發(fā)振動(dòng)加速度有效值是鉆進(jìn)誘發(fā)的13.15倍，射流的擾動(dòng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆進(jìn)的；引入“平均幅值”和“質(zhì)心頻率

5、”來定量描述了振動(dòng)加速度信號(hào)的頻域特征。通過“平均幅值”定義的“射流擾動(dòng)度”定量描述了射流沖擊對(duì)受載煤體的擾動(dòng)作用。基于射流沖擊過程中受載煤體軸向和側(cè)向壓力的變化，定義了“軸向松弛度”和“側(cè)向松弛度”來定量描述煤的松弛現(xiàn)象。闡明了射流沖擊角度和側(cè)壓系數(shù)對(duì)軸向和側(cè)向松弛度的影響規(guī)律，揭示了射流沖擊-地應(yīng)力耦合下煤的松弛機(jī)理。
　?。?）實(shí)現(xiàn)了真實(shí)地應(yīng)力環(huán)境下含瓦斯煤割縫的物理模擬。煤體內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的氣體壓力和煤體的變形密切相關(guān)。試樣內(nèi)

6、部監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的垂向應(yīng)變和平行應(yīng)變表現(xiàn)出割縫松弛變形和解吸收縮變形的變化特征。采用割縫前最終變形量、極限變形量和瓦斯擴(kuò)散參數(shù)定量描述了煤-瓦斯的耦合特征，并探討了瓦斯壓力和縫槽半徑對(duì)含瓦斯煤流固耦合特性的影響規(guī)律。
　?。?）基于測(cè)試方法的敏感性和準(zhǔn)確性，提出了有機(jī)結(jié)合液氮吸附實(shí)驗(yàn)和壓汞實(shí)驗(yàn)的孔隙表征方法，闡明了距割縫孔不同距離處煤樣的孔徑分布及各孔容段變化規(guī)律，揭示了割縫預(yù)抽后煤的吸附性能的變化特征，指出了割縫預(yù)抽后割縫孔周圍呈現(xiàn)出

7、明顯的分區(qū)特征：變化顯著區(qū)、變化過渡區(qū)和變化不顯著區(qū)。探究了割縫預(yù)抽后殘余瓦斯含量、瓦斯放散初速度和煤堅(jiān)固性系數(shù)的變化規(guī)律。通過灰色關(guān)聯(lián)分析，指出割縫預(yù)抽控制煤的微觀參數(shù)來改變其宏觀參數(shù)。
　?。?）提出了基于煤層原始瓦斯含量和壓力的有效抽采半徑判定指標(biāo)，確定了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件下割縫孔的有效抽采半徑。與原有的5m布孔間距相比，布孔間距為6m、7m和8m的割縫孔單孔純流量分別提高了3.86、2.04和2.20倍。高壓水射流割縫能夠顯著改