收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

煤岩体水力致裂弱化的理论与应用研究

黄炳香  
【摘要】: 煤岩体水力致裂弱化技术是改善坚硬厚(高瓦斯)顶煤冒放性、处理坚硬顶板、防治冲击矿压、改善煤层透气性和防治煤与瓦斯突出等的有效技术途径,是一项煤矿安全高效开采的保障技术。本文以煤岩体强度弱化(结构改造)为工程背景,采用实验研究、理论分析、数值模拟和现场试验等研究方法对煤岩体水力致裂弱化的理论和技术进行了较为系统的研究,具有重要理论意义和广泛工程应用前景。 研制了4000kN真三轴岩体水力致裂模拟实验系统。能实现试块尺寸最大为500×500×500mm的真三轴地应力场模拟。设计了具有增压功能的油水加载转换器。实验分析了煤岩力学性质及含水量的影响。基于与煤岩体的全应力应变曲线形态等相似,确定了型煤(煤∶水泥∶石膏)和水泥砂浆的材料配比。 应用大尺寸真三轴水力致裂模拟实验系统开展了煤岩体水力致裂裂缝扩展规律研究。实验结果表明,水力致裂裂缝的前沿为椭圆形态,且以钻孔致裂段为中心;水压裂缝前沿椭圆曲线方程(x~2)/(a~2)+ (y~2)/(b~2) = 1的长短轴之比a/b保持不变。水力致裂裂缝垂直于最小主应力方向扩展。当中间主应力越接近最小主应力,则钻孔孔底水压裂缝越易向垂直于中间主应力的方向偏转;且其扩展方向平行于σ_2和σ_3确定的矢量面。发现了孔底水压裂缝存在分叉现象,分叉后水压裂缝破裂面的走向与σ_3、σ_2均垂直。煤岩体水力致裂除了水压主裂缝形成主破裂面外,渗透水压力对主裂缝两侧煤体形成渗透水楔作用,裂隙和层理面等发生了张开和扩展。同时,由于节理裂隙等缺陷的存在,煤体水力致裂破裂面的粗糙度明显比一般岩石材料要大。考虑水力致裂过程水向岩石内的渗透滤失引起的孔隙水压力(水力梯度)作用,使水压裂缝尖端扩张的净水压力等于缝尖水压力减去滤失水压力和原岩孔隙流体压力。采用流体力学分析得出了钻孔和水压裂缝内的水力衰减规律。当原生裂隙与最小主应力夹角大于一定值,且水压翼型裂纹与水压主裂缝间的岩桥较短时,水压裂缝沿原生裂隙及其翼型分支裂纹继续向前扩展。 固液耦合作用下裂隙煤岩体细观结构破坏研究。在调查煤层裂隙分布规律的基础上,基于断裂力学得出了煤岩体内水压裂隙起裂的最小裂隙水压力与水压翼型分支裂纹的扩展长度。采用RFPA软件模拟了成组原生裂隙条件下,水力致裂弱化的结构改造形态。在岩块为各向同性的前提下,基于能量耗散损伤得出了裂隙煤岩体细观结构破坏与宏观力学性能弱化的关系。 煤岩体水力致裂弱化的控制技术研究。结合水力割缝和水力致裂的优势,提出预先水力割缝定向致裂技术。基于钻孔及钻孔水压力的叠加影响,通过多钻孔及其注液方式的组合来控制水压裂缝的扩展方向。结合水压爆破和水力致裂的优点,采用水压爆破致裂对煤岩体的结构进行改造,使裂隙煤岩体形成多个水压主裂缝和沿水压主破裂面的致裂裂缝带。在爆生压力作用下,煤岩体节理裂隙张开扩展,导致结构面的粘结力降低,煤岩体切割加剧,弱化了煤岩体的整体力学性能。实验证明是一种增加水压裂缝数目和改善煤层透气性的有效方法。 采动煤岩体水力致裂弱化的时空关系研究。实验研究了煤体自然吸水湿润与时间的关系,分析了干燥煤样和自然煤样的吸水湿润差异。依据渗流的起始水力坡度和水力致裂径向水力坡度衰减规律,得出了水力致裂弱化注水的渗透半径。水力致裂弱化水压主裂缝扩展阶段必须超前支承压力峰值区完成。 高瓦斯坚硬厚顶煤弱化的现场试验表明,水力致裂弱化了煤体的整体力学性能,顶煤破碎块度明显降低,工作面回收率提高了23%;预先释放瓦斯,降低了工作面瓦斯浓度,粉尘浓度降低21%,抑制了煤自然发火。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 李东凯;李庚;刘保县;;单向压缩荷载作用下煤岩破坏机理初探[J];陕西煤炭;2008年01期
2 撒占友;何学秋;张永亮;王恩元;;煤岩电磁辐射效应及其在煤与瓦斯突出预测中的应用[J];中国矿业;2006年01期
3 张平松;刘盛东;;煤岩体结构构造特征的频谱分析与应用[J];工程地球物理学报;2006年04期
4 杨永杰;楚俊;郇冬至;李磊;;煤岩固液耦合应变-渗透率试验[J];煤炭学报;2008年07期
5 刘东伟;;余吾煤业公司煤岩体赋存特征研究与分析[J];煤;2008年09期
6 许文军;;时变自稳结构在煤矿冲击矿压防治中的应用[J];湖南安全与防灾;2009年08期
7 曹振兴;彭勃;王长伟;曹明;王晓卿;;声发射与电磁辐射综合监测预警技术[J];煤矿安全;2010年11期
8 黄炳香;;煤岩体水力致裂弱化的理论与应用研究[J];煤炭学报;2010年10期
9 赵恩来;王恩元;刘贞堂;刘晓斐;蒋锐;;煤岩单轴压缩过程电磁辐射的数值模拟研究[J];中国矿业大学学报;2010年05期
10 姚精明;闫永业;税国洪;姚俊伟;李生舟;;煤岩体破裂电磁辐射分形特征研究[J];岩石力学与工程学报;2010年S2期
11 李宝富;任永康;齐利伟;常垒;;煤岩体的低强度相似材料正交配比试验研究[J];煤炭工程;2011年04期
12 何峰;王来贵;王振伟;姚再兴;;煤岩蠕变-渗流耦合规律实验研究[J];煤炭学报;2011年06期
13 傅恒;刘巧红;杨树生;;陆相烃源岩的沉积环境及其对生烃潜力的影响一以准噶尔盆地侏罗系烃源岩为例[J];岩相古地理;1996年05期
14 郭文兵;李小双;;深部煤岩体高温高围压下力学性质的研究现状与展望[J];河南理工大学学报(自然科学版);2007年01期
15 黄炳香;程庆迎;刘长友;魏民涛;付军辉;;煤岩体水力致裂理论及其工艺技术框架[J];采矿与安全工程学报;2011年02期
16 高森克;加固煤岩体用聚氨酯的研究[J];煤矿安全;1993年12期
17 滕学军;王淑坤;;地震波法评价煤岩体化学加固效果的试验研究[J];煤炭科学技术;1992年05期
18 陆菜平,窦林名;煤岩体电磁效应的影响因素[J];矿山压力与顶板管理;2004年01期
19 刘京红;姜耀东;赵毅鑫;;声发射及CT在煤岩体裂纹扩展实验中的应用进展[J];金属矿山;2008年10期
20 张天军;李树刚;陈占清;任树鑫;;某高瓦斯矿煤岩渗透特性的实验研究[J];武汉工业学院学报;2009年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 卢晋波;邵利利;王志佳;赵贺云;王鹏;彭瑞东;;三轴压缩下煤岩力学性能测试与CT扫描分析[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
2 曹建军;马益民;;深井煤岩瓦斯动力灾害发生机理及规律浅析[A];全国煤矿井下安全避险及瓦斯治理技术理论与实践[C];2011年
3 宫伟力;冯旭伟;胡安琪;杜帅;赵政杭;;煤岩瓦斯渗流真三轴物理模拟实验研究[A];北京力学会第17届学术年会论文集[C];2011年
4 邵维;陈苗虎;高兴;徐春宇;侯俊领;吴波;李小锋;;采场冲击地压动力学分析[A];煤炭开采新理论与新技术——中国煤炭学会开采专业委员会2010年学术年会论文集[C];2010年
5 李鹏举;冯光明;范玮刚;郑艳栋;张文涛;;煤岩体三轴卸围压的实验研究与应用[A];2010'中国矿业科技大会论文集[C];2010年
6 王江芳;冯增朝;;非均质多孔介质的颗粒分布数值仿真研究[A];岩石力学与工程的创新和实践:第十一次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2010年
7 高峰;吕进国;;基于HHT方法的微震信号时频分析[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
8 陈亚运;周桢钧;;煤岩电磁辐射技术研究及其应用[A];第十届全国冲击动力学学术会议论文摘要集[C];2011年
9 潘卫东;汪昕;麻银斗;;深部煤层开采中冲击地压的发生机理研究[A];煤炭科学与技术研究论文集[C];2010年
10 张建兵;;煤层群相向开采应力分布的数值模拟[A];煤炭科学与技术研究论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 曹安业;采动煤岩冲击破裂的震动效应及其应用研究[D];中国矿业大学;2009年
2 苏培莉;裂隙煤岩体注浆加固渗流机理及其应用研究[D];西安科技大学;2010年
3 张世杰;煤岩破坏电磁辐射特征及信号分析处理技术研究[D];中国矿业大学(北京);2010年
4 何江;煤矿采动动载对煤岩体的作用及诱冲机理研究[D];中国矿业大学;2013年
5 陈刚;煤岩体后破坏的理论研究及预测[D];辽宁工程技术大学;2004年
6 薛东杰;不同开采条件下采动煤岩体瓦斯增透机理研究[D];中国矿业大学(北京);2013年
7 黄炳香;煤岩体水力致裂弱化的理论与应用研究[D];中国矿业大学;2009年
8 邹银辉;煤岩体声发射传播机理研究[D];山东科技大学;2007年
9 常宗旭;水射流非均质破岩理论及其应用[D];太原理工大学;2006年
10 贾慧霖;受载煤岩变形破裂低频电磁信号规律特征与机理研究[D];中国矿业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张兆鹏;老虎台矿煤岩冲击失稳的发生机理及数值模拟研究[D];吉林大学;2013年
2 汪国欣;煤岩射孔段应力分析及扩孔破岩仿真研究[D];长江大学;2012年
3 罗金满;煤岩体防渗堵水加固浆液试验及应用研究[D];西安科技大学;2009年
4 王传朋;煤岩体冲击地压的声发射预测研究[D];山东科技大学;2008年
5 李建功;应力波在弹塑性煤岩体中传播衰减规律研究[D];山东科技大学;2008年
6 罗吉安;立井揭煤过程中的煤岩体受力变化机制研究[D];安徽理工大学;2007年
7 何钒;石门揭煤煤岩力学特性分析与数值模拟[D];安徽理工大学;2009年
8 罗宁;炮采面爆破参数优化的研究[D];安徽理工大学;2007年
9 唐治;煤岩电荷感应信号预测冲击地压研究[D];辽宁工程技术大学;2011年
10 韩高彬;邻近煤层开采下煤岩体结构体系及瓦斯越流规律研究[D];河北农业大学;2013年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 志远、红颖;抓好安全生产“天字号”工程 确保全市安全生产形势 稳定好转[N];唐山劳动日报;2009年
2 李爱珍;我省与38个国家建立科技合作关系[N];山西日报;2005年
3 刘筱婕;越是难以预测 越要深入研究[N];中国安全生产报;2011年
4 刘俊恒 张利华 姚润祥;阳煤集团三矿巷道支护有高招[N];山西经济日报;2003年
5 本报记者 杨玉峰 通讯员 康立勋;根植岩土 冠荫三晋[N];山西经济日报;2001年
6 叶青;常村矿推广“松帮卸压”支护技术[N];经理日报;2009年
7 靳晓锋 黄永峰;刀尖上的舞蹈[N];经理日报;2009年
8 本报记者 胡珺;向煤炭深部开采进军[N];中国能源报;2010年
9 山西焦煤集团公司镇城底矿 李文明;浅析低瓦斯矿井的瓦斯管理[N];山西科技报;2002年
10 中国矿业大学安全工程学院硕士研究生 谢绍东;减少煤与瓦斯突出事故的根本[N];中国能源报;2010年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978