论文摘要
在煤矿开采过程中,由于现有煤矿普通钻孔技术受煤层地质条件影响,在松软煤层钻孔过程中易塌孔、卡钻,致使钻孔深度受限,影响煤矿瓦斯抽采及矿井安全。本论文依托国家自然科学基金创新群体基金项目“高压水射流破岩理论及其在地下工程中的应用基础研究(50621403)”,通过高压水射流冲孔破煤岩的实验,分析了高压水射流水力参数对煤岩冲孔破碎的影响,并运用CT扫描测试技术对冲孔后的煤岩损伤情况进行了层析扫描测试,从扫描结果得知冲孔后的煤岩体周边发育良好,无明显裂隙。结合水射流冲蚀煤岩的实验数据和CT扫描结果,建立了高压水射流钻深长孔的数值计算模型,对比分析了高压水射流钻深长孔与普通钻孔的位移变化及高压水射流钻深长孔的应力分布状况,最后通过在重庆市某煤矿进行的现场实验对理论分析的结果进行了验证。本文的主要研究内容和结论如下:①根据煤岩强度实验,得知试件最大单轴抗压强度均值为2.01MPa,弹性模量均值为0.061GPa,泊松比均值为0.22,为后续的数值计算提供了数值依据。②高压水射流冲孔破碎煤岩实验结果显示,冲孔深度随泵压呈二次曲线关系增加,随靶距呈三次曲线关系减少。并且高压水射流冲孔破碎的过程是射流的冲击载荷和射流准静态压力共同作用的结果,其中又以冲击载荷的作用为主。③对冲孔后的煤样进行了CT扫描测试,从结果分析中得知高压水射流冲孔后的煤岩体无明显裂隙发育,孔周煤岩损伤较小。④通过实验室及现场应用测试数据,建立了高压水射流钻孔与普通钻孔相比较的二维模型以及高压水射流在松软煤层中钻深长孔的三维模型。计算结果表明,高压水射流钻孔后的孔周位移变形随时间步长的增加均小于常规钻孔,成孔效果较好。随着钻孔深度的不断增加,高压水射流喷嘴对煤岩冲击的端部效应明显,高压水对钻孔中后部的煤岩孔壁具有一定的支撑力作用,表明高压水射流在松软煤层中钻深长孔具有很好的固孔作用。⑤通过在重庆市某煤矿的现场实验应用,高压水射流的钻孔深度最深可达147米,平均孔深是常规钻孔深度的2～3倍,平均钻进速度是常规钻孔速度的1.6倍,该结果与实验室试验和数值模拟基本吻合,证明高压水射流在松软煤层中钻深长孔的成孔效果及对孔壁的支撑作用好。