高压水射流钻孔破煤机理研究
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摘要
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。
The coal and gas outburst, which is a kind of serious project disaster in the process of coal mining, is a major problem that urgently needs to be solved to guarantee the coal mine safety in production. The basic measure to control coal and gas outburst is gas drainage, but the construction of drilling holes is still the difficult project problem until now. However, using the drilling bit of high pressure water jet to carry out the construction of drilling holes and gas drainage has a great superiority with which the traditional mechanical drilling bit is unable to compare. This technic can be studied deeply as a new way and technical approach. As the theoretical principle of technology research of the high pressure water jet drilling holes, the study on mechanism of high pressure water jet breaking coal and drilling holes, which has the important theoretical value and project suitable value, can basically solve several problems of gas drainage and holing construction such as perfecting the breaking rock mechanism of the high pressure water jet, developing the jet drilling bit suiting drilling holes in the coal bed, obtaining the key technology of water jet drilling holes .
Therefore, this dissertation concentrates on the task of the mechanism of the high pressure water jet breaking coal and the jet drilling bit development which is the key technology of water jet drilling holes in the coal bed to research from following several aspects and drew the following conclusions:
First, in this dissertation, the structural characteristics of high pressure water jet were researched. The jet problems of jet drilling holes referred in the coal bed belongs to the turbulent impact jet flow problem were pointed out and the turbulent jet flow basin structure, the axial velocity and the rules of axial pressure changing were analysed. The variation regularity of jet flow during drilling hole had been mastered.
Next, (in the dissertation,) the process and mechanism of the high pressure water jet breaking coal were studied based on the analysis of the coal petrographic stress field under the high pressure water jet flow impact with dynamic load function.
Through the description of the high pressure water column impact process, the author constructed mechanics calculating model of the jet flow impacting coal-bed by spherical wave theory and obtained the analytic solution on the coal petrographic stress field that producing under the impact moving load stimulation, then divided the water jet flow breaking coal process on the time level and analyzed the coal damage and destruction way at various time as well as the function of water jet flow in the process of breaking coal. After analyzing and studying, the author drew such conclusions: in the process of the high pressure water jet flow breaking coal and drilling holes, the preliminary jet flow impact moving load to the coal damage and destruction effect are given priority and influence ofd quasi-static pressure in the later perio is limited, in which the major effects of the shear action of the stress wave and the stretch action of the unloads are prior in the jet flow impact moving load were analyzed in operating process.
Then, this dissertation established the numerical computation model with the non-linear dynamic finite element method, achieving the fluid - structure coupling computation with penalty function coupling by using technologies such as the finite element divergence, the single-point Gauss integral, the hourglass control, the explicit centre difference etc., and obtaining the similar conclusions with the theoretical analysis that the jet flow impact function having gradualness, the stress wave weakening extremely rapidly, the unloading effect in the coal causing the tension failure and so on. All these conclusions indicated that the numerical computation model was reasonable and the computational method was feasible, and the computed results could well re-appear the dynamic evolution process of jet flow breaking coal which the experimental method couldn't complete and the mechanism of jet flow breaking coal. The results also identify and further reveal the theoretical research findings of jet flow breaking coal.
Finally, taking the mechanism of the high pressure water jet flow breaking coal and the numerical simulation research results as the foundation, the dissertation developed and designed the offset type auto-gyration jet bits and impeller type gyration bits which can be used to drilling holes in the coal bed with the high pressure water jet flow, and carried on the field tests by using the developed jet bit in the Xinzhuangzi coal mine of HuaiNan mining industry (group) company. The experiment indicated that the developed offset type auto-gyration bits and impeller type gyration bits have well abilities for breaking coal and drilling efficiency. Research findings that of high pressure water jet flow breaking coal by theoretical research and numerical computation have been provd.
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。
The coal and gas outburst, which is a kind of serious project disaster in the process of coal mining, is a major problem that urgently needs to be solved to guarantee the coal mine safety in production. The basic measure to control coal and gas outburst is gas drainage, but the construction of drilling holes is still the difficult project problem until now. However, using the drilling bit of high pressure water jet to carry out the construction of drilling holes and gas drainage has a great superiority with which the traditional mechanical drilling bit is unable to compare. This technic can be studied deeply as a new way and technical approach. As the theoretical principle of technology research of the high pressure water jet drilling holes, the study on mechanism of high pressure water jet breaking coal and drilling holes, which has the important theoretical value and project suitable value, can basically solve several problems of gas drainage and holing construction such as perfecting the breaking rock mechanism of the high pressure water jet, developing the jet drilling bit suiting drilling holes in the coal bed, obtaining the key technology of water jet drilling holes .
Therefore, this dissertation concentrates on the task of the mechanism of the high pressure water jet breaking coal and the jet drilling bit development which is the key technology of water jet drilling holes in the coal bed to research from following several aspects and drew the following conclusions:
First, in this dissertation, the structural characteristics of high pressure water jet were researched. The jet problems of jet drilling holes referred in the coal bed belongs to the turbulent impact jet flow problem were pointed out and the turbulent jet flow basin structure, the axial velocity and the rules of axial pressure changing were analysed. The variation regularity of jet flow during drilling hole had been mastered.
Next, (in the dissertation,) the process and mechanism of the high pressure water jet breaking coal were studied based on the analysis of the coal petrographic stress field under the high pressure water jet flow impact with dynamic load function.
Through the description of the high pressure water column impact process, the author constructed mechanics calculating model of the jet flow impacting coal-bed by spherical wave theory and obtained the analytic solution on the coal petrographic stress field that producing under the impact moving load stimulation, then divided the water jet flow breaking coal process on the time level and analyzed the coal damage and destruction way at various time as well as the function of water jet flow in the process of breaking coal. After analyzing and studying, the author drew such conclusions: in the process of the high pressure water jet flow breaking coal and drilling holes, the preliminary jet flow impact moving load to the coal damage and destruction effect are given priority and influence ofd quasi-static pressure in the later perio is limited, in which the major effects of the shear action of the stress wave and the stretch action of the unloads are prior in the jet flow impact moving load were analyzed in operating process.
Then, this dissertation established the numerical computation model with the non-linear dynamic finite element method, achieving the fluid - structure coupling computation with penalty function coupling by using technologies such as the finite element divergence, the single-point Gauss integral, the hourglass control, the explicit centre difference etc., and obtaining the similar conclusions with the theoretical analysis that the jet flow impact function having gradualness, the stress wave weakening extremely rapidly, the unloading effect in the coal causing the tension failure and so on. All these conclusions indicated that the numerical computation model was reasonable and the computational method was feasible, and the computed results could well re-appear the dynamic evolution process of jet flow breaking coal which the experimental method couldn't complete and the mechanism of jet flow breaking coal. The results also identify and further reveal the theoretical research findings of jet flow breaking coal.
Finally, taking the mechanism of the high pressure water jet flow breaking coal and the numerical simulation research results as the foundation, the dissertation developed and designed the offset type auto-gyration jet bits and impeller type gyration bits which can be used to drilling holes in the coal bed with the high pressure water jet flow, and carried on the field tests by using the developed jet bit in the Xinzhuangzi coal mine of HuaiNan mining industry (group) company. The experiment indicated that the developed offset type auto-gyration bits and impeller type gyration bits have well abilities for breaking coal and drilling efficiency. Research findings that of high pressure water jet flow breaking coal by theoretical research and numerical computation have been provd.
引文
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