高壓水射流作用下煤岩細觀動力損傷演化機理研究

中文摘要

煤岩損傷動力演化機理是研究高壓水射流破岩的關鍵科學問題。本課題研究高壓水射流作用下煤岩細觀動力損傷演化機理，其研究主要內容包括：通過室內高壓水射流試驗，研究煤岩細觀動力回響特性，分析高壓水射流衝擊煤岩形成的應力波傳播特性，建立基於細觀層次高壓水射流衝擊煤岩形成的應力波與地應力耦合作用的分析計算模型，揭示水射流衝擊煤岩應力波動回響機理；研究高壓水射流衝擊下和多場動力耦合作用下煤岩細觀損傷機理，分析煤岩細觀動力損傷特徵及其參數表征模式；研究水射流壓力、射流直徑等射流參數對煤岩裂隙場、滲透率的影響規律的數值仿真方法，量化射流參數對煤岩裂隙場特性參數、滲透率等物理量的影響規律；研究射流參數變化對煤岩動力回響的影響規律，提出射流參數最佳化方法。研究成果將為水射流破岩機理提供理論基礎,也為高壓水射流技術在瓦斯災害治理套用中提供理論依據。

結題摘要

隨著煤礦開採深度的增加，開採地質條件越來越複雜，對高瓦斯、低滲透煤層的安全抽采、複雜煤層開採等的要求越來越高，而高壓水射流技術的獨特優勢使其在礦業工程中具有廣泛的套用前景。本項目運用實驗測試和數值模擬相結合的方法，系統研究了高壓水射流衝擊下煤岩的應力波傳播特性、煤岩損傷動態特性及射流參數最佳化等科學問題。主要研究工作如下： (1) 高壓水射流衝擊下煤岩應力波的傳播特性。研究了應力波在煤岩不同位置傳播周期、振幅變化以及衰減規律，得出應力波在靠近射流中心處的波動呈現非線性，隨著離射流中心距離增加，則呈線性彈性波動，且隨距離增加應力波傳播周期會增大，振幅會減小；量化分析了煤岩岩性和射流參數對應力波傳播的影響特性，得出高壓水射流作用下塑性煤岩應力波的衰減速率要小於脆性煤岩，在不同射流速度作用下煤岩應力波衰減具有一定的相似性；研究了高壓水射流作用下煤岩內部應變特性，量化了射流直徑、射流速度對煤岩應變區域的影響。 (2) 高壓水射流衝擊下煤岩損傷動態特性，得到了煤岩不同等級損傷區域沿射流徑向、軸向的演化特徵，並量化了射流速度、初始孔隙率對煤岩損傷演化的影響；通過建立的損傷與煤岩孔隙率之間的關係，得到了高壓水射流鑽孔過程中孔隙率分布及變化規律；建立高壓水射流衝擊圍壓狀態下煤岩的數值模型，研究了圍壓對煤岩損傷演化的影響特性。 (3) 不同射流參數對射流鑽孔增透效果的影響，得到了不同射流參數對射流鑽孔增透的敏感性大小；從保證射流鑽孔增透的高效性出發，得到了射流直徑、射流速度、磨料濃度最優參數組合。研究結果揭示了高壓水射流破岩的力學機理，為高壓水射流技術套用於煤礦瓦斯災害治理提供了科技支撐

高壓水射流作用下煤岩細觀動力損傷演化機理研究

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