空化水射流声震效应促进瓦斯解吸实验的规律及机理研究

针对我国大部分煤层瓦斯高吸附、压力高、渗透率低、难于抽采,易造成瓦斯灾害事故等难题,提出了利用空化水射流声震效应促进煤层瓦斯解吸的新思路。研究了空化水射流液-气相变规律及声震效应促进瓦斯解吸的机理,通过改变泵压围压获得不同空化数条件下,空化水射流空化声震规律:气穴溃灭时声震效应振动的频段很宽,集中在2 000～10 000 Hz,振动在5 400～6 800 Hz出现了一段振动频率的峰值,说明在此范围内溃灭的气泡更加集中;通过改变不同空化数,获得空化水射流声震效应对煤层瓦斯解吸具有促进作用,与未加空化效应的煤样解吸相比,当施加空化数为0.020 0(泵压15 MPa,围压0.3 MPa)的空化声震时,煤样解吸时间缩短19.6%,解吸量增加36.9%。

高速公路拓宽工程中填筑材料对新老路堤变形特性的影响

为解决填挖交界路基非均匀沉降,在填土中分层铺设土工格网等土工加筋材料。基于非线性弹塑性Drucker Prager模型,采用有限元参数分析方法,结合现场沉降观测资料,探讨路堤填筑材料物理参数对新老路堤附加变形、差异沉降、路堤横坡变化影响规律及土工格栅处治交界处路基非均匀沉降机理。研究结果表明:填筑体压缩模量高且密度低,有利于改善新老路堤不均匀变形和差异沉降的状况;黏聚力c对拓宽路堤竖向附加变形影响较比摩擦角φ大;土工格栅对减小路堤表面的竖向变形效果并不明显,但能有效提高新路堤安全系数及新老路堤的整体稳定性。

空化水射流声震效应促进瓦斯解吸渗流测试装置的改进

为确保完善空化水射流声震促进含瓦斯煤层解吸试验效果,针对原研制的模拟试验台存在的不足,对实验空化腔及其配套的型煤试件成型装置进行改进和重新研制。利用环向和密封圈等全方位密封技术可使三轴压力室、空化腔在高围压下及5 MPa瓦斯压力下达到较长时间的良好密封效果;依靠空化腔内布置的文丘喷嘴及高压射流装置激发腔体产生空化效应促进含瓦斯煤层解吸;依托于空化腔水进出口压力传感器实时监测空化腔空化效应;凭借布置的温度和瓦斯压力传感器、引伸计及配套的试验控制软件连接,模拟空化声震效应含瓦斯煤样瓦斯解吸渗透特性及声震过程中的煤样全应力-应变过程演化规律,实时监测空化声震过程中空化腔内温度及其瓦斯渗渗流的变化规律。此外,在循环系统设计了气-液-固体分离器,解决三相排出问题,使三相分离成为可能,提高了试验可操作性。利用改进后的实验装置系统开展模拟实验表明,空化水射流声震效应促进煤层瓦斯解吸渗流,瓦斯解吸量及解吸速度都有不同程度的提高;声震下空化腔内温度变化及含瓦斯煤试样变形规律验证了空化声震效应的热效应、机械震动效应与致裂损伤效应这一物理现象。

影响自激振荡脉冲射流性能的喷嘴结构参数研究

脉冲射流射孔增产技术可有效改善低渗气藏渗透率,提高产气量。自激振荡喷嘴作为射孔增产技术的核心装置,其结构参数直接决定射孔质量。为得到适用于此技术的最优喷嘴结构,根据流体力学、射流力学、边界层及大涡模拟计算理论,利用大涡模拟方法和PIV测试实验研究了不同后喷嘴和前喷嘴直径比、振荡腔长和前喷嘴直径比对脉冲射流的影响规律。将大涡模拟计算结果与PIV试验测试结果相结合,建立了适用于低渗气藏射孔增产的自激振荡喷嘴设计准则:前后喷嘴直径比(d2/d1)为1.2～1.3,腔径比(L/d1)为2.3～3.3。所得结论可作为脉冲射流发生装置的结构设计和优化依据。

二级新型悬臂式挡土墙主动土压力计算方法

基于土的塑性极限分析理论,考虑滑裂面上填土黏聚力及填土与二级新型悬臂式挡土墙墙背接触面上的黏着力,研究了挡土墙土压力受力分析模式,取墙后滑动土体的水平薄层单元进行受力分析,建立极限状态下悬臂式挡土墙主动土压力的一阶微分方程,给出了土压力强度、土压力合力、土压力作用点的理论计算公式。研究结果表明,二级新型悬臂式挡墙上墙应力分布呈抛物线形状;下墙的应力分布类似于梯形分布,最大值出现在挡墙的底部,最小值出现在挡墙的中部。通过有限元数值分析法研究其受力变形特点,数值分析表明:二级挡土墙卸荷作用比较明显,且土自重在二级挡墙中得到了充分的利用;挡土墙主动土压力分布与模拟结果基本一致。

“五步法”渐进式快速石门揭煤新技术原理及应用研究

针对传统石门揭煤技术揭煤时间长,放炮震动易诱发突出,严重影响矿山企业的安全生产和经济效益等难题,提出"五步法"渐进式快速石门揭煤新技术。研究了渐进式快速石门揭煤新技术原理,得出多参数综合预测是该技术的关键;通过试验确定了松藻矿区煤层突出危险性多参数综合预测标准以及预测孔的立体化多重布置方式;研究建立可移动式安全屏障区,进而确定其范围;在安全屏障掩护下,采取浅掘浅进的方式揭开突出煤层,最终制订出一套完整的渐进式快速石门揭煤新工艺。通过在松藻煤电公司下属6个煤矿现场应用表明:该技术简单易行、经济合理、生产安全,揭煤时间由原来110～257 d,缩短为7～25 d,大大缩短石门揭煤时间。

循环荷载下支撑剂的变形及渗透特性试验研究

针对页岩气井多段压裂过程中人工裂缝的应力阴影效应及生产过程中采气–停采引起的变化荷载伤害裂缝导流能力的问题,以陶粒支撑剂为研究对象,采用DL-2000型裂缝导流仪,开展了循环荷载条件下不同铺砂厚度支撑剂的变形及渗透特性实验研究。结果表明,随着循环次数的增加,弹性应变基本稳定,塑性应变持续产生,后者是导致渗透率持续降低的根本原因;塑性应变与永久渗透率损失随闭合压力的变化趋势吻合良好;弹性应变和可恢复渗透率损失随闭合压力的增大而增大,弹性应变随铺砂厚度增大而减小,可恢复渗透率损失随铺砂厚度增大无显著变化;随着铺砂厚度的增大,支撑剂层应力敏感性减弱,颗粒破碎程度降低。适当增加铺砂厚度能有效减小裂缝宽度及渗透率损失,降低循环荷载对导流能力的伤害程度。

加压煤层气集输管道堵塞分析及防治

结合工程实例,针对加压煤层气集输管道生产运行中的堵塞问题,分析了堵塞原因,指出影响管道堵塞的主要因素为地形、粉尘含量、气质组分、温度和压力、管径和流速等。提出了针对性的防治措施,为制定合理防堵方案提供了理论依据。

煤质页岩压缩变形特性及损伤破坏辨识试验研究

为了探索煤质页岩的压缩变形及损伤破坏特性,利用MTS岩石材料力学试验机,得到了煤质页岩的单轴和三轴压缩试验曲线,研究了单轴三轴压缩全过程中页岩损伤软化特征的异同;在此基础上,研究分析了页岩压缩过程中外力功、能量耗散以及能量释放机理,结合页岩特性和岩石强度破坏理论,建立了基于能量原理的页岩损伤演化本构方程:①单轴应力状态下,页岩损伤全过程可用能量原理损伤本构方程模拟;②三轴应力状态下,当轴向应力小于围压时,页岩本构关系可近似用线性方程模拟;当轴向应力大于围压时,应用基于能量原理损伤本构方程进行模拟。模型与试验结果对比分析显示,所建的模型力学参数简单,物理参数意义明确,能充分描述页岩单轴应变软化及三轴应变硬化阶段变形特征。