水射流非均质破岩理论及其应用

论文摘要

在煤矿开采中，瓦斯灾害一直是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一。虽然国内外学者在瓦斯治理方面进行了大量艰苦的工作，但收效不大。目前，本煤层瓦斯预抽放措施仍然被认为是预防瓦斯灾害最有效的方法之一。但是，随着煤层开采深度的增加，煤层透气性随之减小，从而严重影响了煤层瓦斯的抽放率和瓦斯抽放效果。因此，解决低渗透煤层的瓦斯抽放已成为确保煤矿安全生产，提高煤矿生产效率的关键环节。随着社会经济的发展和人类对能源需求的增大，煤层气资源的开发与利用也日益倍受关注。我国的绝大多数煤田均为低渗透煤层，因此开展低渗透煤层的瓦斯抽放研究具有重要的社会价值和经济效益。 太原理工大学经过多年的深入研究，提出了采用高压水射流在本煤层钻孔和割缝提高低渗透煤层的瓦斯抽放效果的基本研究思想和理论。论文较详细地推导了圆形淹没紊动射流的边界层方程，从理论、数值计算和试验等几个方面研究了煤岩体等非均质材料在高压水射流作用下的破碎机理，试验研究了高压水射流在煤层中钻孔和割缝的相关规律，并在工业试验中，取得大幅度提高瓦斯抽放的效果。主要研究工作有以下几个方面： 1．运用紊动的粘性不可压流体的运动方程（N-S方程）、连续方程和能量方程，建立了圆形淹没紊动射流的边界层方程。在此基础上采用时

论文目录

• 第一章 国内外研究现状评述
• 1.1 水射流理论研究现状
• 1.2 高压水射流破岩技术的发展
• 1.3 射流切割机理与岩石破碎理论研究进展
• 1.4 煤层瓦斯抽放研究现状分析
• 1.5 水力割缝强化煤层瓦斯抽放
• 1.6 本论文研究内容
• 第二章 多股圆形淹没紊动射流理论
• 2.1 淹没紊动射流的形成
• 2.2 圆形淹没层流射流边界层方程及其求解
• 2.3 圆形淹没紊动射流边界层方程及其求解
• 2.3.1 紊流边界层的理论基础
• 2.3.2 圆形淹没紊流射流的流速分布
• 2.3.3 圆形淹没紊动射流断面流速分布的相似性
• 2.3.4 圆形淹没射流的紊动特性
• 2.4 圆形淹没紊动射流的动量积分求解
• 2.5 多股圆形淹没冲击射流
• 2.5.1 双股圆形淹没冲击射流的基本特性
• 2.5.2 多股淹没冲击射流的压力分布
• 2.5.3 多股圆形淹没冲击射流的破岩能力分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 水射流的非均质破碎机理与准则
• 3.1 高压水射流的非均质破坏作用
• 3.2 岩石的水射流破坏理论
• 3.2.1 剪切破坏强度理论
• 3.2.2 拉伸破坏理论
• 3.2.3 断裂破坏理论
• 3.2.4 损伤破坏理论
• 3.3 水射流非均质连续损伤模型
• 3.3.1 损伤变量演化方程
• 3.3.2 三轴应力条件下岩体损伤统计本构方程
• 3.3.3 求解方法
• 3.4 水射流的非均质破坏准则
• 3.4.1 水射流破碎准则研究概况
• 3.4.2 水射流的非均质破坏准则
• 3.5 本章小结
• 第四章 水射流破煤的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.1.1 煤岩体的非均质性及特征
• 4.1.2 细胞元参数的非均质化
• 4.1.3 煤体强度参数的非均质化
• 4.2 数值模拟计算模型
• 4.2.1 基本参数
• 4.2.2 计算模型
• 4.2.3 计算方案
• 4.3 单喷嘴水射流钻孔数值模拟
• 4.3.1 钻孔参数的变化
• 4.3.2 各参数对钻孔的影响
• 4.4 组合喷嘴水射流钻孔数值模拟
• 4.4.1 组合喷嘴钻孔参数的变化
• 4.4.2 各参数对组合喷嘴钻孔的影响
• 4.5 水射流在煤岩体中钻孔的数值模拟
• 4.5.1 单喷嘴钻孔的数值模拟
• 4.5.2 组合喷嘴钻孔的数值模拟
• 4.5.3 煤岩体的水射流破碎机理分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 高压水射流在煤层中钻孔割缝设备的研制
• 5.1 高压水射流钻机原理
• 5.2 连续钢管及其制造方法
• 5.3 连续钢管缠绕机构
• 5.3.1 单层缠绕机构
• 5.3.2 多层缠绕机构
• 5.4 连续钢管推进机构
• 5.4.1 一般推进机构
• 5.4.2 强力推进机构
• 5.5 连续钢管校直机构
• 5.6 水射流钻头
• 5.7 高压水射流钻机总体设计
• 5.8 高压水射流钻机系统组成
• 5.8.1 水射流钻机
• 5.8.2 高压水泵站
• 5.8.3 液压站
• 5.9 本章小结
• 第六章 水射流破煤的室内试验
• 6.1 建造试验煤壁
• 6.2 水射流钻孔试验
• 6.2.1 各种组合喷嘴的水射流钻孔喷头
• 6.2.2 喷嘴组合对钻孔和破岩的效果分析
• 6.2.3 钻孔试验概况
• 6.2.4 水射流压力、流量和钻头推进速度对钻孔和破岩的效果分析
• 6.2.5 煤体破碎粒度分析
• 6.3 水射流割缝试验
• 6.3.1 割缝试验概况
• 6.3.2 水射流压力、流量和喷嘴直径与割缝深度和宽度的关系
• 6.4 水射流破岩机理与形式的试验分析
• 6.5 试验结论
• 第七章 水射流钻孔在煤层瓦斯抽放中的应用
• 7.1 五阳煤矿矿区地质概况及其煤层基本特征
• 7.1.1 试验工作面简介
• 7.1.2 试验区煤层的地质状况
• 7.2 井下水射流钻孔试验
• 7.2.1 钻孔试验概况
• 7.2.2 水射流破碎效果与非均质性的关系
• 7.3 井下水射流割缝试验
• 7.3.1 水射流割缝形态以及与煤体非均质性的关系
• 7.3.2 水射流割缝过程中瓦斯涌出情况
• 7.3.3 水射流割缝破碎效果与非均质性的关系
• 7.4 水射流钻孔与割缝的瓦斯抽放效果
• 7.4.1 瓦斯抽放效果分析
• 7.4.2 瓦斯抽放效果的测量结果
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 本论文的主要研究成果与结论
• 8.2 本论文的理论、技术的应用前景展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文及科研成果
• 博士学位论文独创性说明