高压水射流作用下煤岩细观动力损伤演化机理研究

The mechanism of damage dynamic evolution of coal rock is a key science problem to study water jet breaking coal rock. The project focus on meso-damage mechanism of coal rock under high pressure water jet, which mainly studies the respond meso-dynamic characteristics of coal rock with high pressure water jet, and establishes a calculation model for analysis of coupling effects of stress waves in coal rock under high pressure water jet and geostress, to reveal the mechanical mechanism of water jet breaking coal rock. Furthermore, the project researches damage evolution characteristics of coal rock under high pressure water jet, and developes the dynamic damage theory and characteriz model of parameters for damage characteristics, to reveal the damage mechanism of coal rock under high pressure water jet. The project studies the numerical simulation method on influences of water jet pressure, diameters and other relative parameters on fracture field and permeability of coal rock and the representation method of characteristic parameters, and qualifies the relationships between water jet parameters and fracture field characteristic parameters, permeability of coal rock and other physical quantities. Finally, the optimization method of water jet parameters and the parameter optimization dynamic effect are studied. The research results will provide theory foundation for the mechanism of water jet breaking coal rock and technical support for the application of controlling gas disaster with high pressure water jet.

煤岩损伤动力演化机理是研究高压水射流破岩的关键科学问题。本课题研究高压水射流作用下煤岩细观动力损伤演化机理，其研究主要内容包括：通过室内高压水射流试验，研究煤岩细观动力响应特性，分析高压水射流冲击煤岩形成的应力波传播特性，建立基于细观层次高压水射流冲击煤岩形成的应力波与地应力耦合作用的分析计算模型，揭示水射流冲击煤岩应力波动响应机理；研究高压水射流冲击下和多场动力耦合作用下煤岩细观损伤机理，分析煤岩细观动力损伤特征及其参数表征模式；研究水射流压力、射流直径等射流参数对煤岩裂隙场、渗透率的影响规律的数值仿真方法，量化射流参数对煤岩裂隙场特性参数、渗透率等物理量的影响规律；研究射流参数变化对煤岩动力响应的影响规律，提出射流参数优化方法。研究成果将为水射流破岩机理提供理论基础,也为高压水射流技术在瓦斯灾害治理应用中提供理论依据。

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。本项目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。主要研究工作如下：.(1).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，则呈线性弹性波动，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。 .(2).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。.(3).不同射流参数对射流钻孔增透效果的影响，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。. 研究结果揭示了高压水射流破岩的力学机理，为高压水射流技术应用于煤矿瓦斯灾害治理提供了科技支撑