基于液电效应的水激波时域特性及煤体致裂效果研究

发布时间：2017-12-12 17:24

  本文关键词：基于液电效应的水激波时域特性及煤体致裂效果研究

  更多相关文章： 高压电脉冲 水激波 波前时间 煤体致裂 RFPA-Dynamic

【摘要】：煤层气又称瓦斯,是导致井下爆炸等安全事故以及温室效应的气体,同时也是一种清洁能源。合理利用煤层气不仅能降低煤矿井下安全事故的发生率、减少大气污染,又能为人类的生产生活提供所需的能源。然而,我国高瓦斯矿井中95%以上的煤层存在渗透性较差及煤质偏软的缺陷,导致抽采钻孔极易堵塞,抽采率偏低等问题。因此增加赋存瓦斯煤岩体的裂隙度成为煤层气抽采中亟待解决的难题。近年来,煤层钻孔注水高压脉冲放电致裂技术作为一种新型动静荷载耦合致裂煤体的手段,逐渐引起越来越多学者及工程技术人员的关注。其主要原理是利用高压脉冲放电产生的液电效应,形成高压脉冲水激波,水激波通过液体介质作用于煤体,使其产生不规则的大范围贯通裂纹,从而达到增加煤层渗透性的目的。脉冲水激波作为一种特殊的动载荷,其时域特性(包括波前时间、上升沿斜率等)对煤体中裂纹的动态扩展影响深远。不同的水激波时域特性表示煤体中的裂纹从外界吸收能量的速率不同。而受其自身材料属性的限制,煤体中的裂纹在扩展过程中释放能量的速率存在一个极限值。在这两种能量速率的博弈下,煤体裂纹的扩展模式也不相同。为此,针对水中高压脉冲放电产生的水激波,本文通过控制不同的放电电压和静水压力来获得不同的水激波波前时间及上升沿斜率。着重研究了波前时间及上升沿斜率随放电电压和静水压力的变化规律及其对煤体致裂效果的影响。主要研究结果如下:(1)结合冲击波的相关知识及水中高压脉冲放电生成水激波的机理,从理论上分析了水激波波前时间及上升沿斜率随放电电压和静水压力的变化规律,推导出了波前时间及上升沿斜率关于放电电压和静水压力的理论计算公式。公式表明:波前时间与放电电压和静水压力分别呈负相关和正相关的关系,而上升沿斜率与之相反;(2)采用控制变量法进行了水中高压脉冲放电的实验研究,研究结果表明:在静水压力一定时,放电电压越高,水激波的波前时间越短,上升沿斜率也越大;而在放电电压一定时,静水压力越大,水激波的波前时间越长,上升沿斜率越小。实验结论与理论计算公式的结论相一致。(3)结合冲击载荷下裂纹扩展的基本知识,通过分析后发现:水激波波前时间能够通过影响裂纹尖端的应力强度因子来影响煤体中裂纹的扩展。将波前时间引入到裂纹尖端的应力强度因子公式中,得到了含有水激波波前时间的应力强度因子理论计算公式。(4)利用RFPA-Dynamic数值分析软件研究了波前时间对裂纹扩展的影响。模拟结果显示,不同的波前时间对煤体中应力波的传播及声发射现象均具有显著的影响。同时不同的波前时间下裂纹的扩展模式也不同:较短的波前时间产生数量较多的短小裂纹,而较长的波前时间则有利于裂纹长度的扩展。总之,本文的研究能够为钻孔注水高压电脉冲水压致裂在煤层瓦斯抽采中的应用提供一定的理论与实验依据。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD712

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本文编号：1283323