突出煤层中高压水射流防突机理研究

论文摘要

在煤与瓦斯突出矿井中,由于煤层透气性差,瓦斯压力大,使得掘进速度非常缓慢,严重影响着矿井安全快速生产。为了解决这个问题,在分析了突出煤体物理力学特性和固流耦合理论的基础上,建立了固流耦合数学模型并研究采用高压水射流掏槽技术以提高掘进速度。根据高压水射流掏槽防突的原理,建立了水射流掏槽工作面的力学摸型,选用FLAC软件对掏槽效果进行模拟,模拟结果显示,水射流槽孔周围应力分布发生改变,水射流槽孔两侧出现应力集中区域,并随着距离的增加,应力逐渐减小,最终接近原岩应力;水射流槽孔上下方出现卸压区域,应力减小,随着距离的增加,应力逐渐变大,最终接近原岩应力;水射流槽孔周围发生向孔道方向的位移,其中槽孔两侧位移最为明显,其次是槽孔上方发生一定位移,槽孔下方位移相对较小;随着槽孔径向方向的延伸槽孔周围向孔道方向的位移将逐渐变小;水射流槽孔头前方应力分布发生改变,形成以槽孔前上方为应力峰值区,随着向前方煤层逐渐延伸,应力逐渐减小的应力集中区域,同时槽孔头处发生向煤层方向的位移;水射流槽孔影响周围区域为以槽孔为中心,半径为2m的圆形区域,槽孔对前方煤层距离约为2m,因为卸压区域的存在,在掏槽过程中可对周围2m圆形区域内的瓦斯进行释放;水射流掏槽的最终目的是为了掘进巷道的开挖,因为水射流槽孔头处距离前方应力集中区域较近,因此在掘进巷道开挖的过程中,不应掘至水射流槽孔头处,应留处2m左右缓冲区域,防止不可控的煤与瓦斯突出的发生。根据模拟结果观察高压水射流掏槽破坏煤体的状况,以及掘进方向上煤体的应力状态的改变状况,达到了指导实际工作的目的,起到了很好的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 国内外煤与瓦斯突出的现状
• 1.2 煤与瓦斯突出的影响因素
• 1.3 防治煤与瓦斯突出机理研究现状
• 1.4 本课题的研究内容
• 2 高压水射流防治煤与瓦斯突出原理
• 2.1 煤与瓦斯突出机理
• 2.2 突出煤体的物理力学特性
• 2.2.1 突出煤体的形成及结构特性
• 2.2.2 突出煤体的渗透性
• 2.2.3 煤体的吸附特性
• 2.2.4 突出煤体的力学特性
• 2.3 高压水射流防突的机理分析
• 2.4 防止高压水射流掏槽释放瓦斯超限的技术分析
• 3 高压水射流掏槽的固流耦合数学模型
• 3.1 高压水射流掏槽的固流耦合
• 3.2 流体的渗流方程
• 3.2.1 渗流连续性方程
• 3.2.2 渗流本构方程
• 3.3 煤岩固体的变形方程
• 3.3.1 煤岩体平衡方程
• 3.3.2 煤岩体几何方程
• 3.3.3 煤岩体本构方程
• 3.4 流体渗流对煤岩固体变形影响的关系式
• 3.5 煤岩体骨架变形对流体渗流影响的关系式
• 3.6 流体渗流场和煤岩体变形场的边界条件
• 3.7 固流耦合数学模型的建立
• 4 高压水射流掏槽效果的数值模拟
• 4.1 显式有限差分程序FLAC 软件和计算分析方法
• 4.1.1 有限差分拉格朗日法的基本原理
• 4.1.2 有限差分拉格朗日法的基本方程
• 4.1.3 应用FLAC 软件的模拟过程
• 4.2 水射流掏槽的数值模拟
• 4.2.1 水射流槽孔模型的建立
• 4.2.2 模型尺寸及单元划分
• 4.2.3 边界条件
• 4.2.4 计算模型的观测线的定义
• 4.3 水射流掏槽的数值模拟结果
• 4.3.1 球向模型的模拟结果及分析
• 4.3.2 径向模型的模拟结果及分析
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 导师简介
• 作者简介
• 学位论文数据集