高压旋转水射流破煤及其冲孔造穴卸压增透机制与应用

摘要:针对我国松软低透高瓦斯煤层煤与瓦斯突出危险性大、抽采困难的问题,提出水力冲孔造穴卸压增透及瓦斯抽采方法,通过顺层或穿层钻孔深入煤层内部,采用高压旋转水射流冲出大量煤体及瓦斯,形成直径较大的卸压洞室,为煤体膨胀变形和瓦斯解吸积聚提供充分空间,在洞室周围煤体形成裂隙网络,配合瓦斯抽采措施释放煤体中的弹性潜能和瓦斯膨胀能,进而消除其突出危险性。本文通过理论分析、实验室实验、数值模拟与现场工程试验相结合的方法,以卧龙湖矿松软煤体为研究背景,从洞室周围煤体塑性区和应力变化两方面揭示冲孔造穴卸压机制,测定该应力变化条件下松软煤体物理力学特性和渗透率演化规律,探究淹没条件、泵站压力、喷嘴参数、旋转速度等对水射流结构和冲击应力的影响,推演高压水射流冲击破碎松软煤体过程,分析射流速度、尺寸、冲击时间、偏角、平移速度等因素对破煤效果影响,研发钻进冲孔一体化装备并在新景矿开展现场工程试验。主要得出以下结论:  (1)在松软煤层中冲孔造穴后,洞室周围煤体水平应力突然降低,垂直应力先增大对煤体产生挤压破坏后向两侧扩展,随造穴半径的增大,各洞室之间逐渐出现垂向应力集中和水平应力卸载相互叠加,煤体塑性破坏主要是由水平应力降低情况下轴向应力增大造成,塑性区是钻孔的13倍左右。冲孔造穴引起垂向应力降低区扩展的同时增加了应力集中程度,垂向应力降低区半径可超过3.0m,局部应力集中系数可达1.3。水平应力卸载效果显著,卸压半径可达到6m,相互叠加后卸压效果更加明显。从塑性区和卸压范围考虑,本煤层造穴比穿层造穴效果更好,穿层造穴安全性更高。  (2)松软煤体具有应变软化和塑性流动特性,峰后无应力突然跌落现象,峰值强度和弹性模量随围压增大而增大,低围压阶段塑性流变和损伤扩容现象明显;孔隙气体对煤体强度具有弱化作用,吸附态瓦斯还对煤体产生非力学作用。常规三轴加载过程中松软煤体渗透率先降低后增大,在峰值强度前达到最低值,之后随煤体损伤破坏程度的加剧逐渐增大;恒定差应力卸围压过程中,渗透率在卸荷点处达到最低值,卸围压后煤体强度降低,逐渐出现损伤破坏渗透率增长。  (3)高压水射流冲击距离和冲击应力受泵站压力、环境介质、冲击距离、喷嘴结构、旋转速度等影响存在上限值。冲孔造穴时应尽量保持非淹没射流条件,射流冲击速率随泵站压力增大和喷嘴收缩角减少而逐渐增大,泵压过大所引起的射流雾化会缩短有效冲击距离,考虑喷嘴聚能效应和长度,收缩角可选24°左右。冲孔造穴需要一定旋转速度,旋转会造成射流偏转,前后连续性和激励作用减弱从而缩短有效冲击距离,最好控制在90r/min以内。  (4)以松软煤体孔裂隙发育、物理力学特性以及高压水射流结构及冲击应力分布规律为基础,构建高压水射流冲击破碎煤体耦合模型,推演高压水射流冲击作用下煤体损伤破坏过程。水射流冲击作用力在煤体坑体底部呈马蹄形分布,应力集中位于接触面下方20~30mm。射流破煤需一定射流速度、尺寸和冲击时间,随速度和冲击时间增加煤体破坏程度增大,低速射流仅引起煤体表面变形;破碎坑体深度和截面积随射流尺寸增大而增大,尺寸超过一定值(约32mm)后深度变化趋势变缓,破煤体积增加由截面积扩大引起。煤体损伤破坏区域随射流偏角的增大先增大后降低,从形成最大深度洞室考虑,喷嘴应与煤体垂直,但从总体破煤效率方面,最佳偏角在45°左右。平移速度在增大射流冲击破煤面积的同时减弱了射流破煤能力。  (5)研发煤矿井下履带式钻进冲孔一体化装备并实现履带式联动行走,提出冲孔造穴卸压增透瓦斯抽采及效果考察方案,在新景矿开展现场工程试验,冲孔破煤及消突效果显著,本煤层单次造穴冲出煤体0.8~2.5t,平均1.2t,造穴半径0.46~0.75m,瓦斯抽采量提高了5.6~6.9倍。

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