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煤层卸压能有效提高煤层的透气性,现行的卸压措施都存在着受地质条件限制大等问题,在低透气性煤层实际应用中并不理想。高压水射流切缝与目前国内外其它卸压措施相比,在改善煤层透气性、提高瓦斯抽采率方面具有明显的效果,尤其是对于大埋深、低透气性煤层。由于现阶段围绕该技术增加煤层透气性的基础理论和技术原理的系统研究工作还很少,尚无法指导工程实践,这方面的欠缺严重地制约着该技术的推广利用。 本论文依托国家自然科学基金创新群体基金项目“高压水射流破岩理论及其在地下工程中的应用基础研究(50621403)”,在探讨了煤层孔隙-裂隙特征与透气性关系的理论基础上,通过高压水射流型煤切缝实验,分析了高压水射流参数对增加煤层暴露面积的影响,并通过对型煤的损伤破坏测试,考察了高压水射流切缝对煤层裂隙率的影响;同时基于脆性材料裂纹损伤模式,理论分析和数值模拟了在高压水射流作用下煤体内部裂隙的扩展规律。结合高压水射流煤岩切缝现场应用,考察验证了采用高压水射流切缝能有效提高煤层的透气性。 主要研究内容和结论如下: ①高压水射流型煤切缝实验结果表明,增加泵压能有效增加切槽暴露面积,试验数据显示切槽暴露面积随泵压呈二次曲线关系增加;切槽暴露面积随横移速度的增加而减小,试验数据显示随横移速度呈三次曲线关系减少;泵压、横移速度存在临界值,应依据煤层不同f值调节泵压值和横移速度。 ②借助CT机对比分析切缝前后型煤内部裂隙的变化,结果显示高压水射流切缝能促进裂隙发育,提高裂隙率。新生裂隙集中发育在端部,纵向致裂更明显。 ③通过数值模拟分析裂隙的启裂扩展,显示高压水射流作用下裂隙端部应力集中,端部轴向拉应力最大,表明裂隙主要沿垂直裂纹轴向拉应力方向扩展,与前面型煤CT扫描实验结果相符。且与高压水射流法线方向夹角小的裂隙端部应力强度因子较大,更易启裂。为使煤层内部大面积范围内孔-裂隙相互贯通,提高裂隙率,可采取沿煤层层理方向钻孔,使高压水射流垂直层理或成大倾角切缝。 ④在高压水射流切缝现场应用中,采用高压水射流切缝时,瓦斯排放量比原工艺钻孔提高了2.93倍;瓦斯涌出量随时间的衰减变化显示,经过30天后,切缝钻孔的自然瓦斯涌出总量仍是原工艺钻孔的3.4倍;单缝可增加煤层暴露面积14.13m2,提高煤层透气系数达134.3倍。结果表明高压水射流切缝能有效提高煤层透气性。