淹没环境下前混合磨料水射流对低透气性煤层的冲蚀机理及增透效应研究

The coal mine safety high effective production is restricted by the problem of low permeability coal seam gas drainage.Coal and gas outburst,gas explosion and such other mine gas disasters are caused extremely easily if the gas containing in coal seam can't be drainaged.The pre-mixed abrasive water jet aided the drilling and coal seam slotting pressure relief is the effective method to improve the permeability of coal seam.Study on the erosion mechanism and permeability enhancement effects submerged pre-mixed abrasive water jet to low permeability coal seam have the important meaning to improve the effect of pre-mixed abrasive water jet strengthen the coal seam gas drainage.Based on the laboratory experiment,theoretical analysis and field experiment methods,the eroding law of submerged pre-mixed abrasive water jet to low permeability coal seam under different cutting environment factors will be researched through experimental method and with the dynamic coupling law of stress and flow field of coal seam.The mathematical model of damage-permeability during the process of pre-mixed abrasive water jet erosion based on the Weibull distribution of coal seam damage,and field experiments is carried out in this project also. Researches will provide the experimental and theory fundation for pre-mixed abrasive water jet strengthen the effect of coal seam gas drainage, have important value for safety production in coal mine.

低透气性煤层的瓦斯抽放问题是制约煤矿安全高效生产的主要瓶颈之一，瓦斯不能及时抽出极易造成煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等矿井瓦斯灾害现象，采用前混合磨料水射流辅助钻进和煤层割缝卸压是提高含瓦斯煤层渗透率的有效方法，研究淹没环境下前混合磨料水射流对低透气性煤层的冲蚀规律及增透效应对提高前混合磨料水射流强化抽采煤层瓦斯效果具有重要意义。本项目采用实验研究、理论分析以及现场试验相结合的方法，实验研究淹没环境不同切割因素下前混合磨料水射流对煤层的冲蚀规律，以及伴随煤岩储层卸压后煤层应力场和渗流场的动态变化规律；理论分析煤层应力场和渗流场动态耦合规律，基于Weibull分布煤体损伤理论建立煤体扰动过程的损伤-渗流数学模型，并进行现场试验。研究成果可为现场提高前混合磨料水射流强化抽采煤层瓦斯效果提供实验与理论基础，有效防止矿井瓦斯灾害，保证煤矿安全生产。

低渗透性煤层的瓦斯抽放问题是制约煤矿安全高效生产的主要瓶颈之一，瓦斯不能及时抽出极易造成美与瓦斯突出、瓦斯爆炸等矿井瓦斯灾害现象，采用前混合磨料水射流辅助钻进和煤层割缝卸压是提高含瓦斯煤层渗透率的有效方法，研究淹没环境下前混合磨料水射流对低透气性煤层的冲蚀规律及增透效应对提高前混合磨料水射流强化抽采煤层瓦斯效果具有重要意义。.本项目采用实验研究、理论分析相结合的方法，实验研究淹没环境不同切割因素下前混合磨料水射流对煤层的冲蚀规律，以及伴随煤岩储层卸压后煤层应力场和渗流场的动态变化规律；理论分析煤层应力场和渗流场动态耦合规律，基于Weibull分布煤体损伤理论建立煤层扰动过程的损伤-渗流数学模型，并进行了验证。研究结果表明：（1）淹没环境下前混合磨料水射流喷嘴外磨料的最大速度出现在距喷嘴出口6mm附近；磨料粒径对喷嘴外磨料速度影响较小；喷嘴外围压对磨料速度有重要影响，相同位置处的射流速度随着围压的增大而减小，距喷嘴出口不同距离处围压与磨料速度均呈指数函数变化规律。（2）在相同条件下，磨粒冲击速度越大，冲蚀效果会越好，且磨料颗粒冲蚀速度与岩石的冲蚀率几乎呈线性关系。随着磨粒速度的增加，正方体形状磨料颗粒的冲蚀率逐渐大于球形磨料颗粒的冲蚀率；磨料颗粒的粒径越大，磨粒所具有的动能就会变的越大，对岩石和钢板的冲蚀深度和冲蚀体积也会越大，但当磨粒粒径增大时，磨粒对岩石的冲蚀率却在不断减小。（3）利用自制的重力恒载渗流实验系统，实验研究了煤体加载过程中煤体渗透系数的变化规律，根据煤体加载全过程水渗透系数实验数据，基于Weibull分布煤体损伤理论建立了煤体加载全过程的损伤-渗透系数数学模型，根据实验数据对数学模型进行验证，证明数学模型的实用性和稳定性。研究结果表明：煤体加载过程中煤体渗透渗透系数先表现出缓慢减小，达到最小值点之后开始缓慢增大，待到峰值应力附近时会突然增大的总体变化规律；建立的渗透系数演化模型可以较好的表述煤体加载过程中渗透系数的变化规律，模型参数易于求取，工程实用性强。.研究成果可为现场提高前混合磨料水射流强化抽采煤层瓦斯效果提供实验与理论基础，有效防止矿井瓦斯灾害，保证煤矿安全生产。