高压水射流冲击煤岩力学特性研究

• 作 者: 刘佳亮
• 机 构: 重庆大学
• 出 处: 重庆大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 高压水射流 煤岩 数值模拟 正交试验 力学特性

随着煤矿开采深度的增加，开采地质条件越来越复杂，对高瓦斯、低渗透煤层的安全抽采、复杂煤层开采等的要求越来越高，而高压水射流技术的独特优势使其在矿业工程中具有广泛的应用前景。本文运用实验测试和数值模拟相结合的方法，系统研究了高压水射流击破煤的比能、高压水射流冲击下煤岩的应力波传播特性、煤岩损伤动态特性及射流参数优化等科学问题。主要研究成果如下:　　
(1)基于相似原理，以水泥、河砂、添加剂（聚苯乙烯颗粒、丁腈橡胶粉）等为原料，构造了煤岩相似材料。基于煤岩相似模型的单轴压缩试验，研究了水灰比、灰砂比、养护时间、添加剂体积比等参数对煤岩相似材料力学性质的影响，获得了各配置参数的取值范围。基于正交试验，通过对比煤岩原型与煤岩相似材料的容重、抗压强度、泊松比、弹性模量等基本物理力学参数，得到了满足相似条件的煤岩相似材料配比方案。　　
(2)利用研制的煤岩相似材料，进一步研究了高压水射流钻切煤岩相似材料的破坏特性，分析了不同泵压、靶距、横移速度、切割次数对射流破煤比能的影响特性，从最低能耗角度，得到了高压水射流钻切煤岩最低比能下的泵压、靶距、横移速度、切割次数等。　　
(3)数值模拟了高压水射流冲击下煤岩应力波的传播特性，研究了应力波在煤岩不同位置传播周期、振幅变化以及衰减规律，得出应力波在靠近射流中心处的波动呈现非线性，随着离射流中心距离增加，则呈弹性波动，且随距离增加应力波传播周期会增大，振幅会减小;量化分析了煤岩岩性和射流参数对应力波传播的影响特性，得出高压水射流作用下塑性煤岩应力波的衰减速率要小于脆性煤岩，在不同射流速度作用下煤岩应力波衰减具有一定的相似性;研究了高压水射流作用下煤岩内部应变特性，量化了射流直径、射流速度对煤岩应变区域的影响。　　
(4)模拟分析高压水射流冲击下煤岩损伤动态特性，得到了煤岩不同等级损伤区域沿射流径向、轴向的演化特征，并量化了射流速度、初始孔隙率对煤岩损伤演化的影响;通过建立的损伤与煤岩孔隙率之间的关系，得到了高压水射流钻孔过程中孔隙率分布及变化规律;建立高压水射流冲击围压状态下煤岩的数值模型，研究了围压对煤岩损伤演化的影响特性。　　
(5)基于射流直径、射流速度、射流磨料浓度3个射流参数，通过正交试验对不同射流参数对射流钻孔增透效果的影响进行了极差分析，得到了不同射流参数对射流钻孔增透的敏感性大小;从保证射流钻孔增透的高效性出发，得到了射流直径、射流速度、磨料浓度最优参数组合;基于射流破碎煤岩规律及神经网络建模技术，对神经网络拓扑结构和网络训练算法进行设计，建立了基于人工神经网络的射流钻孔增透模型。