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《山东科技大学》 2007年
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高压水射流钻孔破煤机理研究

梁运培  
【摘要】: 瓦斯抽放是治理煤矿瓦斯、防治煤与瓦斯突出的根本措施,但煤层瓦斯抽放钻孔的施工至今仍是工程难题,尤其在松软高地应力的高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层。与传统的机械钻头相比,在这类煤层运用高压水射流钻头进行钻孔施工,具有一定的优势,可以作为一种新的方法和技术途径进行深入研究。作为高压水射流煤层钻孔技术研究的理论基础,研究高压水射流钻孔破煤机理,对于完善高压水射流破岩机理的研究、开发出适合于煤层钻孔的射流钻头、攻克水射流煤层钻孔的技术关键并从根本上解决瓦斯抽放钻孔的施工难题具有重要的理论及工程适用价值。 因此,本文围绕高压水射流钻孔破煤机理这一课题,从以下几个方面进行了研究并得出结论: 首先,文章对高压水射流结构特性进行了研究。指出煤层中的射流钻孔所涉及的射流问题属于紊动冲击射流问题,并对紊动射流的流域结构、轴线速度、轴线压力的变化规律进行了相应分析,掌握了钻孔中的射流变化规律。 其次,以高压水射流冲击动态载荷作用下煤岩应力场的分析为基础,对高压水射流破煤过程及机理进行了研究。通过对高压水柱冲击过程的描述,运用球面波理论构建了射流冲击煤岩的力学计算模型,得到了煤岩在冲击动载激发下所产生的应力场解析解,从时间层次上对水射流破煤过程进行了划分,并对各时间段煤岩的损伤破坏方式以及在水射流破煤过程中所起的作用进行了分析研究。得出了在高压水射流破煤钻孔过程中,以前期的射流冲击动载对煤岩损伤破坏作用为主导,后期的准静态压力对煤岩的损伤破坏作用有限,其中在射流的冲击动载作用过程中又以应力波对煤岩的剪切作用和卸载对煤岩的拉伸作用为主的结论。 再次,本文运用非线性动力有限元法,建立了数值计算模型,采用有限元离散、单点高斯积分、沙漏控制、显式中心差分等技术,以罚函数耦合的方式实现了流体-结构的耦合计算,得到了与理论分析中所做出的射流的冲击作用具有阶段性、应力波在煤岩中衰减极为迅速、卸载效应使煤岩产生拉伸破坏等相似的结论。表明数值计算的模型合理,计算方法可行,计算结果能较好地再现实验手段所不能完成的射流破煤动态演化过程,验证并进一步揭示了射流破煤机理的理论研究成果。 最后,以高压水射流破煤机理和数值模拟的研究成果为指导,设计了高压水射流煤层钻孔用的偏置式自旋转射流钻头和叶轮式旋转射流钻头。运用所研制的射流钻头,在淮南矿业(集团)公司新庄孜煤矿进行了现场破煤试验。试验表明所研制开发的偏置式自旋转射流钻头及叶轮式旋转射流钻头,具有良好的破煤能力和钻孔效率,从而验证了理论研究和数值模拟对高压水射流破煤机理的研究成果。
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