姜文忠[1]2009年在《低渗透煤层高压旋转水射流割缝增透技术及应用研究》文中指出煤层瓦斯是一种优质高效的洁净能源,同时又是威胁煤矿安全生产的主要灾害源之一。有效地抽采煤层中的瓦斯是减少矿井瓦斯事故的最有效方法之一,而我国多数煤层属于低渗透煤层,解决低渗透煤层瓦斯抽采已成为确保煤矿安全生产、提高煤矿生产效率的关键问题。为了提高低渗透煤层的抽采效率,本文进行了低渗透煤层高压旋转水射流割缝增透技术及其应用的研究。本文研究了旋转水射流的破岩机理,分为剪切破岩,拉伸破岩,冲蚀破岩和磨削破岩;通过理论分析建立了钻孔内淹没条件下自由旋转水射流流动模型,基于自相似运动理论,推导了钻孔中旋转水射流速度解析解。通过数值模拟进行了煤层高压水射流割缝增透机理研究,高压旋转水射流在煤层切开对称的两条缝槽后,缝槽区域煤体发生变形,应力场重新分布,缝槽周边煤体因受力屈服发生损伤破坏,裂隙增加,渗透率增大;较远区域煤体因煤层卸压,渗透率随着应力的降低而增大,煤层的透气性得到改善。旋转水射流割缝增透效果优于普通射流割缝。建立了煤层割缝抽采瓦斯运移数学模型。应用FLUENT软件进行了非淹没和淹没不同喷嘴参数条件下旋转水射流规律的数值模拟,模拟结果表明:射流扩散角和射流速度随着喷嘴出口段长度的增加而减小。根据旋转水射流的动力学参数设计了高压旋转水射流喷嘴,确定叶轮最优导向角为45o、最佳出口段长度为L=1.8D。在距离喷嘴出口70D处,旋转射流环形冲击区域的动压力可达12MPa以上,能够满足破煤要求。进行了高压旋转水射流割缝装置的研制和技术开发。高压旋转水射流割缝装置包括高压水泵、控制系统、执行系统和辅助系统四部分,形成了一套井下移动方便、高效实用的高压水力冲割系统,该设备的最高工作压力为47MPa、最高供水流量为120L/min。在鸡西矿业(集团)有限责任公司城山煤矿西二采区3B#煤层右二工作面开展了井下旋转水射流煤层割缝和瓦斯抽采工业试验。试验结果表明:(1)割缝深度随射流压力的增加非线性增大,但逐渐变缓趋于一极限值;割缝深度随割缝速度的增加而逐渐减小;同一压力和割煤速度下旋转射流的割煤效率比直射流高,是直射流割煤效率的1.37～1.47倍。(2)确定旋转水射流割缝系统参数为:钻孔直径φ94mm,深度60m,钻孔间距8m,工作泵压40MPa,采用两喷嘴喷头定向割缝,喷嘴的射流方向与钻头的轴线方向垂直,喷嘴直径2mm,喷头移动速度0.1～0.2m/min。割缝双向总深度达1.1m,割缝宽度可达120mm。(3)对旋转水射流割缝工艺流程进行了设计,并制定了一套切实可行的安全防护措施,保证了旋转水射流割缝技术的顺利实施。(4)3B#煤层割缝前钻孔的自然初始瓦斯涌出量为19.452×10-3m3/min·hm,割缝后钻孔的自然初始瓦斯涌出量可达54.635×10-3m3/min·hm,百米煤层钻孔(Φ94mm)的极限瓦斯涌出量可达到186.03m3,而割缝后达到565.62m3,割缝后的自然瓦斯涌出量达到割缝前的3.04倍。(5)百米割缝钻孔和常规钻孔每天抽出纯瓦斯量分别为148.028m3/d.hm和66.037m3/d.hm,百米割缝钻孔瓦斯抽出速度是非割缝钻孔提高2.24倍。在2个月的抽采时间内,割缝钻孔的瓦斯抽采率可达24.42%,常规钻孔的瓦斯抽采率仅为10.48%,割缝钻孔的瓦斯抽采率为对比的常规钻孔瓦斯抽采率的2.33倍。
张芳[2]2002年在《高压旋转水射流煤层钻孔喷头研究》文中研究指明冲击地压一直是影响煤矿开采安全的一个难题，近年来，利用高压旋转水射流在煤层中钻孔，以其高效、节能、钻孔大、孔形规则、破岩效率高等优点，深受广大工程技术人员的青睐。而研究决定射流性能的喷头成为技术人员关注的热点。本文在分析了射流的流动规律、破岩机理和喷头参数叁者之间相互制约、相互依存的关系后，设计并加工制造了内导叶轮喷头和自旋转喷头。通过室内实验和拟现场实验，设计内导叶轮喷头，分析内导叶轮喷头各参数及射流压力、靶距、打击时间等参数对钻孔作业的影响。采用理论与实验相结合的方法，依次解决旋转密封、起始旋转扭矩、喷嘴布置和限速问题，设计了自旋转喷头。应用直流发电机原理，建立电磁限速的自旋转喷头稳态运行时的电路、力学、能量方程。以此设计出限速部分的参数，且初步讨论射流功率与转速之间的关系。研究表明，内导叶轮喷头形成钻孔孔径与喷头大小相当，有效喷距小，不易排屑和实现其切向剥层优势；同等条件下，自旋转喷头，成孔孔径大小可依实际需要设计，有效喷距较长，易于发挥其脉冲破岩作用。
梁运培[3]2007年在《高压水射流钻孔破煤机理研究》文中研究指明瓦斯抽放是治理煤矿瓦斯、防治煤与瓦斯突出的根本措施，但煤层瓦斯抽放钻孔的施工至今仍是工程难题，尤其在松软高地应力的高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层。与传统的机械钻头相比，在这类煤层运用高压水射流钻头进行钻孔施工，具有一定的优势，可以作为一种新的方法和技术途径进行深入研究。作为高压水射流煤层钻孔技术研究的理论基础，研究高压水射流钻孔破煤机理，对于完善高压水射流破岩机理的研究、开发出适合于煤层钻孔的射流钻头、攻克水射流煤层钻孔的技术关键并从根本上解决瓦斯抽放钻孔的施工难题具有重要的理论及工程适用价值。因此，本文围绕高压水射流钻孔破煤机理这一课题，从以下几个方面进行了研究并得出结论：首先，文章对高压水射流结构特性进行了研究。指出煤层中的射流钻孔所涉及的射流问题属于紊动冲击射流问题，并对紊动射流的流域结构、轴线速度、轴线压力的变化规律进行了相应分析，掌握了钻孔中的射流变化规律。其次，以高压水射流冲击动态载荷作用下煤岩应力场的分析为基础，对高压水射流破煤过程及机理进行了研究。通过对高压水柱冲击过程的描述，运用球面波理论构建了射流冲击煤岩的力学计算模型，得到了煤岩在冲击动载激发下所产生的应力场解析解，从时间层次上对水射流破煤过程进行了划分，并对各时间段煤岩的损伤破坏方式以及在水射流破煤过程中所起的作用进行了分析研究。得出了在高压水射流破煤钻孔过程中，以前期的射流冲击动载对煤岩损伤破坏作用为主导，后期的准静态压力对煤岩的损伤破坏作用有限，其中在射流的冲击动载作用过程中又以应力波对煤岩的剪切作用和卸载对煤岩的拉伸作用为主的结论。再次，本文运用非线性动力有限元法，建立了数值计算模型，采用有限元离散、单点高斯积分、沙漏控制、显式中心差分等技术，以罚函数耦合的方式实现了流体－结构的耦合计算，得到了与理论分析中所做出的射流的冲击作用具有阶段性、应力波在煤岩中衰减极为迅速、卸载效应使煤岩产生拉伸破坏等相似的结论。表明数值计算的模型合理，计算方法可行，计算结果能较好地再现实验手段所不能完成的射流破煤动态演化过程，验证并进一步揭示了射流破煤机理的理论研究成果。最后，以高压水射流破煤机理和数值模拟的研究成果为指导，设计了高压水射流煤层钻孔用的偏置式自旋转射流钻头和叶轮式旋转射流钻头。运用所研制的射流钻头，在淮南矿业(集团)公司新庄孜煤矿进行了现场破煤试验。试验表明所研制开发的偏置式自旋转射流钻头及叶轮式旋转射流钻头，具有良好的破煤能力和钻孔效率，从而验证了理论研究和数值模拟对高压水射流破煤机理的研究成果。
王耀锋[4]2014年在《叁维旋转水射流与水力压裂联作增透技术研究》文中提出对于松软、低透气性煤层,特别是单一突出煤层,采用现有的瓦斯抽采技术难以实现抽采达标。采取煤层增透措施,是解决此难题的关键。煤体结构改造是煤层增透的焦点,而以水射流和水力压裂为代表的水力化技术,是煤体结构改造的有效途径。本文以水力化煤层增透技术为研究对象,采用理论分析、数值模拟、实验室实验与井下试验相结合的方法,对叁维旋转水射流与水力压裂联作增透技术进行了较为深入系统的研究,并进行了现场试验及应用,具有重要的理论和实际意义。全文取得了以下主要研究成果:采用理论计算和数值模拟相结合的方法,研究了非均匀应力场下穿层钻孔扩孔后煤层增透的力学机制。结果表明,随着孔径的增大,其围岩塑性区的面积呈近似抛物线形快速增长,而围岩塑性区的等效直径与孔径基本成线性关系,因而采用水射流扩孔的方法能够实现煤层的卸压、增透。利用ANSYS研究了淹没条件下旋转水射流喷嘴的流场特性,经优选确定出现场扩孔用喷嘴所配叶轮的导向角为45°。在实验室的水射流试验系统上测试了淹没条件下旋转水射流喷嘴的破岩、扩孔能力。对非淹没条件下叁维旋转水射流流场的模拟结果表明,通过喷头带动旋转水射流喷嘴旋转所产生的叁维旋转水射流的速度,特别是切向速度,要高于不旋转时,从而提高了水射流的破煤扩孔能力。基于以上研究,提出了叁维旋转水射流扩孔方法。应用弹性力学理论分析了地应力场对穿层钻孔水力压裂的起裂压力和裂缝扩展方位角的控制作用。对水射流扩孔后钻孔周围不同方向上水平主应力分布的分析结果表明,扩孔后再进行水力压裂,裂缝容易沿最大主应力方向扩展。从弹性力学和渗流力学的角度,研究了早期压裂裂缝的诱导应力对后期裂缝的发育所产生的诱导作用。采用RFPA2D-Flow模拟了不同钻孔布置和压裂方式下裂缝的起裂、延伸与扩展规律,验证了控制钻孔对裂缝的导控作用,证实了同步压裂期间在先形成的裂缝对后发育裂缝的诱导作用下,后期裂缝转向扩展并最终形成了网状裂缝结构。揭示了叁维旋转水射流扩孔与水力压裂联作增透的机理。提出了叁维旋转水射流扩孔与水力压裂联作增透的技术方法,它把常规钻孔与扩孔钻孔搭配起来,形成中心孔与周边孔联合布置方式,通过中心孔压裂或者周边孔同步压裂来实现煤层的卸压及增透。开发了组合喷头、螺旋辅助排渣钻杆、高压旋转接头和高压水射流作业远程监控系统,形成了井下高压旋转水射流扩孔成套新装备。利用所开发的装备,在4个典型矿井各开展了1种煤层增透方法的现场试验及应用,使钻孔的瓦斯抽采纯流量提高了0.79~3.79倍,取得了较好的应用效果,具有广阔的现场应用前景。
覃兆勇[5]2014年在《高压水射流破煤岩实验研究》文中认为高压水射流技术的钻进速度快,成本低,钻进过程中无火花,可以有效解决我国煤层气开采中成本高、对储层污染严重等难题。目前高压水射流煤层钻孔的现场应用比较多,但是关于高压水射流破煤岩效率的影响因素方面的研究仍不够完善。这是由于煤岩非均质性较强,容易发生垮塌,因此利用真实煤岩进行高压水射流煤层钻孔室内物理模拟方面的研究成果较少,而且绝大部分是利用水泥、沙、煤粉按一定比例配制成的型煤进行的研究,所配制成的型煤与真实煤岩差距大,难以准确的反映高压水射流煤层钻孔的真实情况。另外,磨料射流技术虽然目前也被应用到了煤层的钻孔中,但是没有学者对磨料浓度这一关键射流参数对煤层钻孔的影响规律作深入的研究。针对上述问题,本文在前人研究成果的基础上,基于高压水射流技术理论,综合利用石油与天然气工程、机械工程、工程流体力学、岩石力学等领域的知识,对高压水射流破煤岩过程进行了仿真,且研制出了适合于室内模拟高压水射流破煤岩的实验装置,并通过实验对多因素影响条件下高压水射流煤层钻孔深度和孔径进行了分析。主要取得了以下成果：(1)模拟出了破碎坑形成的演化过程,弄清了煤岩体的破碎过程及导致其破碎的主要原因。(2)研制出了适合于室内模拟高压水射流破煤岩的实验装置,提高了前混式磨料射流系统的控砂精度。(3)得到了高压水射流在煤层中所形成孔的形态特征,对现场井壁支撑工具下入的参数设计具有一定的指导意义。(4)得出了各因素对高压水射流破煤岩效率的影响规律,并以孔径和孔深为目标函数得到了一组最佳射流参数组合,为现场高压水射流煤层钻孔的施工参数设计提供了设计依据。
叶玉麟[6]2016年在《煤层气井旋转喷头优化设计与分析》文中研究表明目前,水平井以及分支井技术被认为是解决我国煤层气开采中单井产量低、经济效益差以及储层污染严重等难题的有效解决方案。传统钻井技术在实施水平井破煤钻进过程中存在易卡钻夹钻、所成孔眼不规则以及能耗高、速度慢等问题,高压旋转水射流技术因其能量传输方便和破岩效率高,越来越受到关注。但是,关于高压水射流破煤机理研究以及与高压旋转水射流技术配套的装备——旋转射流喷头的研究仍不够深入。针对上述问题,本文以高压水射流破煤机理和旋转射流喷头为研究对象,综合利用石油与天然气工程、机械工程、工程流体力学、岩石冲击动力学等领域相关知识,采用实验研究、理论研究与数值模拟研究相结合的分析方法,主要完成了以下几方面的研究工作：(1)通过电镜扫描实验和叁轴岩石实验分别对煤岩的组成结构和力学性质进行实验研究,得到：煤岩总体相对致密,伴随有少量裂缝、孔隙分布。煤岩具有高弹性模量、低泊松比、高抗压强度和低抗拉强度的力学特征。(2)基于光滑粒子流(SPH)耦合有限元(FEM)的算法对高压水射流破煤动态过程以及损伤演化进行数值仿真,得到：煤岩损伤较大的区域集中在破碎坑附近,坑底周围煤岩损伤和裂纹发展最为活跃,且形成了由放射状裂纹和层状裂纹构成的复合裂纹系统；射流速度对煤岩损伤失效区域的形成以及裂纹的产生与扩展的影响较大,提高射流速度可明显提高射流破煤效率,且破煤过程存在一个门槛射流速度,本论文研究的煤岩的门槛射流速度为150m/s；含水缺陷的煤岩的破坏范围要大于空缺陷的煤岩。(3)结合直射流与旋转射流的各自优点,设计出了一种适合于煤层气水平井破岩钻进的新型旋转射流喷头,并对其强度、刚度进行了校核。(4)基于计算流体动力学方法对旋转射流喷头的射流流场进行数值模拟,得到了射流流场的分布规律,并对不同工艺参数(射流压力、喷距)对射流流场和射流结构的影响进行研究,得到：当喷头结构一定时,不同射流压力条件下的流场射流结构具有相似性；射流速度的衰减规律和无因次喷距L/d有关。(5)基于正交试验设计和方差分析方法对旋转射流喷头的结构进行优化,建立了旋转射流喷头不同结构参数(叶片导程、收缩角、直柱段无因次长度)与工作性能之间的关系,得到了叶片导程、直柱段无因次长度以及收缩角的最优范围分别为：16mm～24mm、0.6-1、55°,～60°。
李艳增[7]2015年在《叁维旋转水射流扩孔增透技术装备及应用》文中研究表明针对我国低透气性煤层抽采难题,研发出叁维旋转水射流扩孔增透技术与装备。通过理论分析、数值模拟和现场试验研究发现:叁维旋转水射流破煤以剪切破碎为主,合理布置扩孔钻孔可实现区域煤体整体卸压增透。潘四东矿井下试验结果显示,扩孔钻孔瓦斯抽采体积分数80.5%,纯瓦斯流量18.15 L/min,分别为常规钻孔的1.43倍,纯瓦斯流量为常规钻孔的1.72倍,提高72%,显着提高了低透气性煤层的抽采过程中的瓦斯浓度和抽采纯瓦斯流量,具有较好的增透效果,瓦斯抽采效果显着提高。
常宗旭[8]2006年在《水射流非均质破岩理论及其应用》文中认为在煤矿开采中，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
夏永军[9]2005年在《偏转水射流煤层钻孔的射流特性研究》文中提出瓦斯抽放是治理瓦斯的基本措施，而抽放瓦斯需要在煤层中钻长孔。常规的机械钻孔技术是靠钻杆旋转带动钻头切割煤，钻头与钻孔之间紧密接触，容易出现卡钻、夹钻、钻头磨损快等问题。使用高压水射流技术在煤层中钻孔，由于射流钻头和钻孔是非接触的，从而可以在一定程度上避免卡钻、夹钻、钻头磨损快等问题，且通过高压水射流还能实现对钻孔的扩充，增加钻孔的有效抽放半径。在国内，用高压水射流在煤层中钻孔是一项新技术，重点需要对射流钻头以及射流特性进行研究。 本文在分析国内外高压水射流理论与技术研究现状的基础上，对淹没水射流的自模性、扩散性和速度衰减性做了洋细分析和论述，初步设计了用于煤层钻孔的偏转水射流钻头。对射流喷嘴的运动规律进行理论分析，得出了影响射流喷嘴旋转速度各参数的匹配关系。采用了标准的κ-ε双方程模型对射流速度和压力的变化规律进行了数值模拟。为了进一步研究水射流特性，论文对射流打击力和射流冲击压力实验测试进行了分析说明。同时论文还对高压水射流破煤机理进行了分析和论述。论文主要工作和结论如下： (1) 通过理论分析，得出射流反冲力F=Qv_j。 (2) 运用牛顿动力学定律，理论计算出影响旋转喷嘴转速的各因素取值范围：射流压力p应大于(Mρ)／(50πRC~2d~2sinα)，偏角α取值必需大于arcsin (Mρ)／(50πRC~2d~2p)，旋转半径尺取值应大于(Mρ)／(50πC~2d~2psinα)，喷嘴直径d的取值应大于2~((Mρ)／(50πRC~2psinα))。 (3) 通过对射流特性的数值研究，发现同一喷嘴直径同一初速度下不同断面的速度分布规律相似，都服从正态分布；射流出口轴心初速度大小的改变不会影响射流总压力的分布规律，喷距的改变会影响总压力的分布形状，射流总压力都服从正态分布；同一喷嘴直径不同轴心初速度下射流轴心速度衰减规律具有相似性，
李成全, 李忠华, 潘一山[10]2003年在《高压旋转水射流防治煤矿冲击地压实验研究》文中研究说明冲击地压是采矿业中突发性、瞬息难以预见的灾害,它的发生常常会造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此,研究便捷、可靠的防治方法,成为防冲减灾工作中的重要课题之一。传统防治方法中的大孔径机械钻孔卸压法,存在卡钻、长距离大孔径钻孔钻不动、排渣困难等难题。本文作者采用高压旋转水射流钻孔法,从地面实验中克服了上述问题,并研制了相关设备。通过多次试验数据表明,该方法是可行的,并为长距离、大孔径钻孔卸压“防冲”研究提出了一个新的可行的科学方法。
参考文献：
[1]. 低渗透煤层高压旋转水射流割缝增透技术及应用研究[D]. 姜文忠. 中国矿业大学. 2009
[2]. 高压旋转水射流煤层钻孔喷头研究[D]. 张芳. 辽宁工程技术大学. 2002
[3]. 高压水射流钻孔破煤机理研究[D]. 梁运培. 山东科技大学. 2007
[4]. 叁维旋转水射流与水力压裂联作增透技术研究[D]. 王耀锋. 中国矿业大学. 2014
[5]. 高压水射流破煤岩实验研究[D]. 覃兆勇. 西南石油大学. 2014
[6]. 煤层气井旋转喷头优化设计与分析[D]. 叶玉麟. 西南石油大学. 2016
[7]. 叁维旋转水射流扩孔增透技术装备及应用[J]. 李艳增. 煤矿安全. 2015
[8]. 水射流非均质破岩理论及其应用[D]. 常宗旭. 太原理工大学. 2006
[9]. 偏转水射流煤层钻孔的射流特性研究[D]. 夏永军. 煤炭科学研究总院. 2005
[10]. 高压旋转水射流防治煤矿冲击地压实验研究[J]. 李成全, 李忠华, 潘一山. 辽宁工程技术大学学报. 2003