高壓氣液兩相射流瞬態(tài)動力破煤特性及微觀致裂機制研究.pdf

1、煤礦瓦斯已經(jīng)成為我國煤炭安全、高效開采的重大隱患，而水力割縫技術以效果顯著、實用性強等特點成為了煤層卸壓增透，強化瓦斯抽采，預防煤礦瓦斯事故發(fā)生的主要方法之一。但目前的水力割縫技術存在射流破煤割縫能力偏低，工作系統(tǒng)壓力較高，系統(tǒng)設備穩(wěn)定性差等問題。為此，本文在現(xiàn)有水力割縫技術基礎上，提出了高壓氣液兩相射流割縫技術，并采用設備研發(fā)、理論分析和實驗室試驗等方法，對高壓氣液兩相射流的瞬態(tài)動力沖擊特性、破煤性能及微觀破煤機制進行了研究，取得主要

2、研究成果如下：
　?。?）研究了高壓氣液兩相射流的基本結(jié)構及其瞬態(tài)動力沖擊特性，建立了高壓氣液兩相射流的數(shù)學模型，并推導出了射流軸心沖擊動壓的計算公式，對影響射流沖擊動壓的主要因素進行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，高壓氣液兩相射流能夠在沖擊區(qū)域表面形成局部脈沖射流，產(chǎn)生縱向和橫向上的脈沖沖擊；射流含氣率、射流初始壓力、沖擊靶距和噴嘴直徑是影響高壓氣液兩相射流沖擊動壓的主要因素。
　?。?）設計研發(fā)了高壓氣液兩相射流割縫技術試驗系統(tǒng)，并利

3、用此試驗系統(tǒng)對影響高壓氣液兩相射流破煤性能的主要因素展開了試驗研究。試驗發(fā)現(xiàn)，射流壓力和射流含氣率是影響高壓氣液兩相射流破煤性能的關鍵參數(shù)，而沖擊靶距和噴嘴直徑的影響較為次要；若使高壓氣液兩相射流的破煤效果最好、效率最高，需要保證出流水壓Pw≥12MPa，射流含氣率在30％~35%范圍內(nèi)，沖擊靶距在200mm~250mm范圍內(nèi)，噴嘴直徑約為3.9mm；另外，煤巖體的孔隙度對高壓氣液兩相射流的沖蝕破煤性能也有很大影響，煤巖體的孔隙度越大，

4、射流的破煤效率越高。
　?。?）分別對淹沒和非淹沒射流條件下的高壓氣液兩相射流和純水射流的破煤性能進行了對比試驗研究，并從射流沖擊能量和沖擊頻率的角度進行了對比分析。試驗發(fā)現(xiàn)，在淹沒與非淹沒條件下，高壓氣液兩相射流的破煤性能普遍優(yōu)于純水射流，與純水射流相比，射流的平均沖孔直徑增大了近2倍，平均沖孔深度提高了約25%，沖擊破碎試樣的時間縮短了約75%，破碎試樣的門限壓力降低了25%~50%；在較高射流壓力（P≥14MPa）條件下，含

5、氣率對高壓氣液兩相射流的破煤性能影響顯著，含氣率在30%~40%范圍內(nèi)的高壓氣液兩相射流的破煤效果最好，沖擊能量和沖擊頻率最大，而且均大于純水射流，射流沖擊頻率的最大值約是純水射流的2倍。
　　（4）研究分析了煤體受高壓氣液兩相射流沖擊時其內(nèi)部的應力分布狀況，試驗測試了高壓氣液兩相射流沖擊破碎煤體時，煤體表面宏觀裂隙的擴展規(guī)律及其動態(tài)破碎過程。研究發(fā)現(xiàn)，高壓氣液兩相射流沖擊煤體時，產(chǎn)生由縱波、橫波和瑞利表面波組成的應力波，并以射流

6、接觸點為中心呈半球面狀向煤體內(nèi)傳播；根據(jù)煤體的宏觀破碎特征和破碎過程的高速攝像分析，可以將煤體內(nèi)部的損傷裂隙分為周向裂紋、徑向裂紋和扇形裂隙三種類型，將高壓氣液兩相射流沖擊破碎煤體的過程分為Ⅰ微觀裂隙萌生階段、Ⅱ微觀裂隙擴展階段和Ⅲ宏觀裂隙擴展階段等三個階段；射流沖擊動載產(chǎn)生的應力波作用和煤巖體裂隙內(nèi)氣-液-固三相耦合作用共同造成了煤體發(fā)生階躍式破碎。
　　論文研究成果對于了解高壓氣液兩相射流的破煤性能和微觀致裂機制，優(yōu)化射流關鍵