钻孔中煤体割缝的高压水射流装置设计及试验

本文针对矿井煤层瓦斯抽放及防突中煤层透气性差,瓦斯抽放率低等问题,按照高压水射流技术应用的原理,设计了应用于抽放钻孔中切割煤体的高压水射击流装置,并在现场对喷嘴和射流器进行了试验。试验结果表明,水射流方向采用+100,喷嘴直径为1.5mm,切割速度为0.2m/min,泵压为30MPa时,水射流切割钻孔中煤体效果最佳;煤层采用高压水射流切割缝后,钻孔预抽瓦斯的抽放率提高了18.8%,抽放时间相对缩短90%以上。因此,该项技术对于煤层瓦斯抽放和防治煤与瓦斯突出具有重要作用。     

钻孔水力采矿射流喷嘴初步试验研究

围绕钻孔水力采矿的关键元素——喷嘴，在进行小直径喷嘴试验的基础上，分析研究试验数据，提出喷嘴的设计思路，完成喷嘴的基本选型。针对不同岩层的特性，提出不同的水力采矿方案。研究处在钻孔底高压淹没条件下，水射流的碎岩机理和碎岩能力。     

后混合磨料空气射流喷嘴结构优化及破煤效果研究

水力化卸压增透技术在煤层瓦斯灾害治理中发挥了重要作用,但在松软煤层中应用时容易导致塌孔、抱钻和喷孔等动力现象。无水化卸压增透是突破松软煤层瓦斯高效抽采技术瓶颈的可行性技术之一。为此,利用磨料空气射流高效破煤岩能力,提出后混合磨料空气射流破煤卸压技术,采用磨料-空气分离输送的双通道方式,将磨料和空气运送至孔底,采用射流泵-拉法尔耦合的后混合喷嘴结构在孔底对磨料进行引射、混合和加速,使磨料具备高冲击动能,实现高效破煤。基于ANSYSFLUENT气固两相流模型,分析后混合喷嘴内磨料引射、混合和加速规律,研究磨料颗粒在加速过程中的受力,获得混合磨料空气射流高效破煤最优后混合喷嘴结构;并开展后混合磨料气体射流破煤实验验证破煤性能。结果表明：磨料冲击动能决定于后混合喷嘴的引射能力和加速能力。后混合喷嘴的引射能力与引射喷嘴的喷嘴出口直径和其扩张段长度有关,合理的引射喷嘴出口直径有助于减小喷嘴出口气流波动,扩张段长度则会影响喷嘴出口气流速度,在本文条件下,引射喷嘴采用两段式,其中收缩段长度2 mm,喉部直径2 mm,扩张段长度5 mm,喷嘴出口直径为3 mm。加速结构对磨料的加速效果主要取决于加速喷嘴...     

空化水射流破碎岩石的机理研究

在不同泵压和淹没压力条件下,针对不同类型的空化喷嘴,对空化水射流的空泡云特性和破碎岩石机理进行了一系列实验研究,探讨了空化水射流的空泡云与冲蚀能力之间的相互关系。优化空化喷嘴结构和工作条件以减小泵压,从而降低输入能量。空泡云的可视化研究显示缩放形喷嘴产生的空化云的长度和宽度比收敛形喷嘴的大。研究表明,空化水射流切割破碎岩石主要是由空泡的溃灭引起的,空泡云的长度等于靶距与切割深度之和;在切割破碎岩石时冲蚀效果只在开始几秒内发生,冲蚀深度并不随时间而增大。     

煤层气径向钻井压耗计算与井口压力预测

对煤层气径向钻井过程中钻井管柱系统压耗和高压水射流破岩机理进行分析,列出了钻井管柱系统各部分磨阻系数的计算公式和喷嘴射流动力公式。通过理论分析与室内试验,提出了煤的水力冲击破碎压力与其物理力学参数之间的关系式,以及水力冲蚀速度与无因次冲击压力之间的关系。结果表明:通过加权平均值法计算得到的临界破碎压力与实际值吻合良好;在3~8倍临界破碎压力下,冲蚀速度约为无因次冲击压力的0.4倍。根据文中压力预测步骤,对现场作业进行压力预测,得到的井口压力预测结果比实际施工压力低3~5 MPa。      

淹没水射流关键参数对天然气水合物沉积物冲蚀体积的影响规律研究

高压水射流技术具有工作介质来源广泛与环保等优点,能够用于海底天然气水合物储层破碎。本文运用LS-DYNA有限元程序对淹没状态下高压水射流对海洋天然气水合物沉积物破碎过程进行数值模拟,研究了射流速度、喷嘴直径、靶距、入射角度四项关键参数对含水合物沉积物冲蚀体积的影响,得出以下主要结论：含水合物沉积物产生破碎需要满足射流速度大于临界流速;随着射流速度的增加冲蚀体积逐渐增大;喷嘴直径的增加会导致沉积物径向冲蚀体积的增大,从而使总体冲蚀体积增大;靶距的增加会使水射流在水域运动过程中能量损失增大,导致冲蚀体积的减小;在喷嘴入射角度增大过程中冲蚀体积将会先增大后减小最后趋于稳定,当入射角度为10°时冲蚀体积能够达到最大值。     

山西富东煤矿水害类型分析及其防治建议

富东煤矿主采煤层为石炭系上统太原组8、9、12、15上、15下号煤。近年来,随着开采水平的不断延伸,矿井水害日益呈现,对采掘工作面人员及安全生产构成威胁。以涌水水源与导水通道为划分原则,将整合后的富东煤矿面临的水害类型划分为采(古)空区及相邻矿井开采积水水害、含水层突水水害、断层破碎带突水水害、岩溶陷落柱水害以及地表水体突水水害,并分析了各种水害类型特点及其对煤矿安全生产的影响程度,认为在煤层开采过程中,导水裂隙带直接进入第四系松散强含水体或断层破碎带,若支护不当,雨季沟谷中的地表径流、各种含水层中地下水以及上覆煤层采空区积水都会通过断层及陷落柱等导水构造发生水力联系,对矿井造成威胁。指出了矿井水害防治重点,并提出了相应的防治水建议。     

基于蜗轮蜗杆伸缩方式的钻孔水力开采钻具设计

钻孔水力开采技术具有建矿周期短、环保、采矿费用低、工作深度大等优势,在我国贫矿、深部矿等资源的开发利用方面,有广阔的应用前景。本文总结了传统水力开采钻具的工作特点,分析了固定式喷嘴对开采效率的影响,介绍了本课题组的研究成果,并在此基础上研制了具有自主知识产权的基于蜗轮蜗杆伸缩方式的钻孔水力开采钻具,该钻具实现了水力喷射装置的伸缩运动,实现了靶距的可控调节,从而增加了单孔采矿区域,提高了开采效率。     

煤层气井造穴射流破岩试验研究

通过水射流造穴进行洞穴完井是煤层气井重要的完井方式。为了优选造穴射流工具的喷嘴,提高射流造穴直径和效率,通过制备相似煤岩试样,采用室内试验的方法,进行了连续射流和空化射流的破岩效果试验,并在现场造穴施工中进行了应用。结果表明：自由射流条件下,连续射流在喷距为200 mm时破岩效果最好,空化射流在喷距为300 mm时破岩效果最好。淹没射流条件下,连续射流未能冲蚀煤岩试样;空化射流的冲蚀直径则呈先增加后减小并趋于稳定的状态,在淹没深度为200 mm时冲蚀直径达到最大,冲蚀深度随着淹没深度的增加而增加,在淹没深度为300 mm以后,冲蚀深度趋于稳定缓慢减小。研究结果为造穴射流工具的喷嘴选型及结构优化设计提供了依据。     

邹庄井田水文地质条件分析研究

通过对井田内水文地质条件及可采煤层赋存情况的分析,对井田内含水层和隔水层进行了划分,并对各主要含、隔水层（组、段）的岩性、厚度、埋藏条件、分布规律及水位、水质、富水性和补给、径流、排泄条件及各含水层（组、段）之间的水力联系进行了详细阐述。分析研究了矿井的充水因素,指出在留设防水（砂）煤岩柱条件下,开采3～10煤层时,新生界第四含水层（组）为间接充水含水层,直接充水水源为二叠系主采煤层顶底板砂岩裂隙水;开采10煤层时,正常情况下太原组1灰距10煤底板较远,对开采10煤层无直接影响,但在由断层作用导致断层间距缩短或对口的部位有突水危险。此结果为矿井今后煤层开采过程中降低水害威胁、制定防治水对策提供了帮助。     

Cracking mechanism of coal under high-pressure water jet and its applications for enhanced coalbed methane drainage

This paper is concerned with the mechanism of coal breakage under high-pressure water jet (HPWJ) and its applications. A model of HPWJ impinging on coal target was established to study the cracking mechanism of coal under impact load. The characteristic and pressure distribution of HPWJ, the propagation characteristics of stress wave in coal, the mechanical properties of different coal particles, and the fracture characteristics of coal under HPWJ erosion were investigated theoretically and numerically. The results show that the shock wave and water wedge pressure are the main factors that cause coal breakage and crack propagation. The damage to the far-field coal particles affected by HPWJ is primarily caused by tensile stress, and the damage to the near-field coal particles affected by HPWJ is caused by the coupled effects of tensile stress and compressive stress. An erosion cavity is formed in the coal model with diameters of 1.25 to 2.5 times that of the jet at different depths. Meanwhile, the strong quasi-static pressure at the crack discontinuities further promotes the propagation of radial cracks around the erosion cavity to form a fracture zone, and the diameter of the fracture zone at different depths is 3.5 to 4.0 times that of the jet. In addition, the results of field application show that there is a significant difference between the methane parameters in the hydraulic flushing borehole and the conventional borehole; the average methane volume fraction and the average methane flow rate in hydraulic flushing boreholes are 3.85 and 3.67 times, respectively, that in conventional boreholes. Indicating hydraulic flushing can effectively promote the initiation and propagation of coal cracks. These results are of great significance to improve coalbed methane drainage technology and prevent gas disaster accidents in coal mines.     

煤矿井下顶板梳状长钻孔分段压裂强化瓦斯抽采实践

为了解决碎软煤层本煤层钻孔施工困难,瓦斯抽采浓度低,抽采效果差,无法实现大面积区域预抽的问题,在现有煤矿井下定向钻进技术和水力压裂技术的基础上,结合前期研究成果,提出了顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术,并在韩城矿区桑树坪二号井进行了现场试验。现场施工顶板梳状长钻孔主孔长度588 m,包含8个分支孔,钻孔总进尺1 188 m,主孔距煤层0~3.28 m,平面上覆盖约12.5 m。采用不动管柱分段水力压裂工艺,分4段进行水力压裂施工,累计注水2 012 m3,最大泵注压力8.74 MPa。压裂后最大影响半径大于30 m,且裂缝主要位于钻孔下方,向煤层延伸。压裂钻孔稳定抽采阶段瓦斯抽采纯量1.18 m3/min,抽采瓦斯体积分数平均43.54%。顶板梳状长钻孔分段水力压裂钻孔瓦斯抽采纯量是水力割缝钻孔的1.2倍,是本煤层顺层钻孔的4.0倍。试验结果表明,顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术可有效避免本煤层常规钻孔施工过程中存在的塌孔、卡钻、喷孔等问题,实现了碎软低渗煤层大面积区域瓦斯预抽,为碎软低渗煤层区域瓦斯预抽提供了新思路和新方法。      

钻孔水力采矿研究方法的探讨

综合分析工艺流程、喷射机理，水枪设计，升举效率和安全稳定性等，将钻孔水力采矿的众多技术问题归纳为5个方面析要点内容，为开展钻孔水力采矿的技术研究和技术开发工作提出基本思路。     

射流泵流场的PIV测量

利用粒子图像速度场仪(PIV)对射流泵渐缩锥形入口、等径直管内有限空间水射流进行测量。该射流泵喉管面积与喷嘴面积之比为4.75,基于射流泵喷嘴直径D和喷嘴出口流速计算的雷诺数为3.68×105。通过流量比在0.20～0.80之间的变化来研究流量比对流场的影响。获得了射流泵对称面流场的速度矢量、轴心速度分布和轴向速度等值线图。结果表明:当射流泵的面积比确定后,射流泵内有限空间射流结构只与射流泵的流量比有关,流量比愈小,其轴心速度衰减得愈快,高速射流区愈短。测量结果为射流泵理论研究和优化设计提供可靠依据。     

径向水力喷射钻井技术在煤矿注浆孔中的应用

采用石油行业径向水平喷射钻井技术在煤矿注浆堵水方面可实现水平定向射流成孔,在薄层灰岩、奥陶系灰岩承压含水层中寻找沟通裂隙,尤其在直井或分支井段较小漏水的情况下可进行多分支喷射,还可以加适量盐酸、酸化缓蚀剂进行局部酸化沟通裂隙,压裂地层,从而降低注浆压力,提高注浆堵水效果。径向水力喷射钻井在峰峰集团梧桐庄矿9号注浆孔应用取得了一定的成效。该技术也可作为地热井增大水量的一种手段。