气相聚能压裂煤层的三维效应研究北大核心

液体二氧化碳相变气爆是一种点式气相聚能压裂技术,其对煤体致裂的三维效应是探究增透效果的重要判据。基于自主设计搭建的物理实验平台,实验研究得出了气爆压降的时空演化规律,气爆气体压力峰值与爆破口距离的空间关系呈二次抛物线形式,拟合关系式为y=0.04x2-5.86x+227.6;气爆气体压力上升时间与爆破口距离的时间关系呈幂函数形式,拟合关系式为y=8.78x0.143 7。数值模拟分析得出气相聚能压裂煤体的塑性区呈现以爆破孔轴向为长轴的近似椭圆体发育的分布规律;当气爆峰值压力为160 MPa和200 MPa时,2种工况对应的最大有效致裂半径分别为0.50 m和0.60 m,最大致裂半径增加约20%;致裂体积分别为0.50 m3和0.95 m3,致裂体积增加近1倍。     

气相致裂非稳态瞬变压降演化机制研究

气爆压降动态演化机制是点式气相致裂煤层增透技术开展理论与现场应用研究的基础,基于自主设计搭建的实验平台,实验研究了气相致裂压降瞬变响应规律。研究得出:气爆触发后,压力时程趋势大体呈现急速上升段和非线性下降段;由于气体非均匀喷出与压电传感器自身噪声耦合效应,导致局部发生压力无规律非稳态波动现象;气爆口升压速率最迅速,气爆升压时间与距气爆口距离存在快速增大后缓慢增加的现象,总体呈现幂函数的升压规律;气爆口为压力峰值区,气爆压力随距气爆口距离增加而降低,总体呈现二次抛物线的非稳态压降规律。     

煤层深孔聚能爆破致裂增透机理研究

针对高瓦斯低透气性煤层钻孔瓦斯抽放效率低的问题,以郑州煤炭工业（集团）有限责任公司大平煤矿为例,提出了煤层深孔聚能爆破致裂增透方法.利用爆破特殊装药结构积聚爆炸能量,驱使聚能罩侵彻煤体形成初始裂隙,并在爆生气体的二次驱动下扩大煤体断裂带范围.现场爆破试验及瓦斯抽放效果证明,煤层深孔聚能爆破裂隙有效影响半径为5~6 m,钻孔瓦斯抽放浓度平均提高200%~300%.     

松软低透煤层深孔微差聚能爆破致裂机理

针对松软低透煤层微差聚能爆破致裂增透问题,在分析微差聚能爆破作用过程及影响因素的基础上,利用流固耦合算法建立了微差聚能爆破数值模型,研究了煤体单元应力及裂隙发育特征,并通过煤层深孔微差聚能爆破现场试验探讨了微差聚能爆破致裂机理及对煤层增透的影响。结果表明:深孔微差聚能爆破的新自由面和应力波叠加效应是促进爆生裂隙扩展、衍生裂隙形成的关键因素,炮孔间煤体在短时间内经两次爆破作用使裂隙进一步发育和扩展。先爆炮孔为后爆炮孔提供了新的裂隙面,爆炸应力波经裂隙面绕射、反射并与入射波叠加,使裂隙面附近煤岩体处于拉伸应力状态并促进衍生裂隙的形成;后爆炮孔利用先爆炮孔形成的残余应力场使爆生裂隙密度增加,扩大了煤体致裂范围。微差时间与炮孔间距是影响爆生裂隙扩展特征的重要因素,在其他条件不变的情况下,两者共同作用决定了爆生裂隙的发育形态。当先爆炮孔产生的应力波在微差时间内传播距离小于炮孔间距时,爆炸应力波在两炮孔间煤体中相互叠加增强,随后在裂隙面之间发生反射形成拉伸应力波对煤岩体产生复杂的破坏作用,在原有爆生裂隙间形成新的裂隙。煤层实施深孔微差聚能爆破后增透效果显著,先爆炮孔附近煤体裂隙在后爆炮孔作用下进一步发育,炮孔间煤体裂隙随孔间距减小更易贯通。     

复合增透技术在高瓦斯低渗透煤层中的应用

针对高瓦斯低渗透煤层透气性差、渗透率低导致瓦斯抽采效率低,制约矿井安全高效开采等问题,提出水力压裂与CO_2相变气爆致裂复合作用增加煤层透气性的技术方案。采用RFPA~(2D)-Flow软件对不同水压作用下钻孔周边煤体裂纹形成过程及向四周延展的规律进行模拟分析,采用FLAC~(3D)软件对在不同长度预裂缝条件下CO_2相变气爆致裂作用的影响程度进行模拟分析,同时在常村煤矿3106工作面进行工业试验。模拟分析和现场验证结果表明:水力压裂试验中,水压达到28 MPa时,作用的有效影响半径达到2.5 m;CO_2相变气爆致裂作用影响区域范围与预裂缝长度之间呈线性关系,采用复合增透法能够使煤体的有效影响作用半径由2.5 m提高到7 m,通过30 d的现场数据采集分析,瓦斯压力由原0.43 MPa降低到0.15 MPa,瓦斯抽采效果显著,为类似条件下煤层瓦斯抽采提供技术参考。     

煤层深孔聚能爆破裂隙扩展数值模拟

在煤层深孔聚能爆破现场试验的基础上,应用非线性动力分析有限元软件ANSYS/LS-DYNA对煤体致裂过程进行了模拟,探讨聚能爆破作用下煤体力学行为及裂隙扩展机理。研究表明,爆破改变了煤体应力状态,聚能效应导致煤体力学性质在聚能方向发生显著变化。此外在聚能方向上煤体粉碎区范围相对较小,而裂隙扩张半径明显大于非聚能方向。     

高地应力条件下高压空气爆破卸压增透技术实验研究

为探索高地应力条件下的非常规卸压增透技术,研究了深部矿井高压空气爆破卸压机理,分析了地面与井下气爆致裂煤体的差异性,构建了高地应力条件下高压空气爆破卸压范围的理论计算模型,以丁集煤矿为工程背景,理论计算了气爆致裂煤体的卸压范围;详细介绍了高压空气爆破技术与装备,开展了高压空气爆破的地面实验,得到了有、无位移约束2种条件下混凝土试件气爆破坏效果与破坏特征,分析了气爆压缩波反射作用对试件的破坏影响作用;开展了丁集矿的井下现场试验,研究了气爆卸压增透效果,分析了气爆前后钻孔瓦斯流量、瓦斯抽采量、衰减系数与透气性系数的变化特征,结合以往经验类比与理论计算,得到了气爆后卸压增透的最佳范围。研究结果表明:在气爆压力达到60 MPa左右时,有、无位移约束的混凝土试件破坏程度很高,主要呈现出径向断裂特征;在淮南丁集煤矿气爆后的煤层钻孔瓦斯流量是无气爆的6～8倍,瓦斯抽采量是气爆前的4～7倍,透气性系数是未气爆的5～1 050倍,衰减系数是未气爆的0.4倍,气爆的最佳卸压增透半径不超过2 m;首次气爆使爆孔周围煤体的力学性质得到弱化,相当于爆孔周围发生了卸荷效应,在二次气爆与高地应力共同作用下形成了较大的松动破坏范围,从而达到卸压增透目的。     

低渗透高瓦斯煤层液态二氧化碳相变致裂增透数值模拟研究

针对低渗透高瓦斯煤层瓦斯高效抽采是制约煤炭工业安全与可持续发展的难题,提出不受煤层赋存条件影响及本质安全型的液态二氧化碳相变致裂增透技术。通过理论分析得出液态二氧化碳气爆致裂煤层的增透机理,并推导得出了气爆应力波引起的煤体初始裂隙长度的数学模型。运用数值模拟分析得出了气爆增透煤层影响半径与不同地应力时非线性指数关系式为R=8. 7788e~(-0.034σ);同时还得出气爆增透煤层影响半径与煤体自身坚固性系数呈类抛物线趋势,煤的坚固性系数为1. 15左右时增透效果最优。     

西山矿区煤层顺层孔CO_2爆破增透试验研究

为提高西山矿区煤层透气性,缩短瓦斯抽采达标时间,分析了煤层顺层孔CO_2预裂增透技术可行性,模拟了CO_2预裂增透半径。研究结果表明:CO_2爆生气体计算压力大于围岩作用下煤体强度,CO_2爆破煤层增透具备技术可行性;数值模拟显示,经过CO_2预裂爆破后,预裂效果最好的是屯兰矿2#煤,煤层裂隙半径4.20 m;其次是屯兰矿8#煤,煤层裂隙半径3.90 m;再次是马兰矿8#煤,煤层裂隙半径3.45 m;最后是东曲矿8#煤,煤层裂隙半径3.30 m.现场试验表明,东曲矿8#煤爆破孔间距按65 m布置,压裂区平均单孔抽采纯流量是未压裂区的32倍。     

煤体爆破作用机理模拟试验研究

为进一步改善煤体爆破效果,在岩石爆破理论基础上分析了煤体爆破作用特点与原理,确定了煤体爆破损伤断裂准则。试验结果表明：煤体中爆炸应力波一般包含两段波形,爆炸应力波的衰减速度较一般岩石更快,爆炸应力波的主要作用是形成少量新裂隙、激活原生裂隙并打破瓦斯气体的平衡状态;煤体爆破损伤包含爆炸波作用的初始阶段和爆生气体与瓦斯气体作用的后期阶段,在近区,爆破损伤以爆炸波的衰减速度迅速减小;中远区在准静态爆生气体和瓦斯气体压力作用下爆破损伤缓慢减小。LS-DYNA数值模拟结果表明,瓦斯对煤体爆破具有积极作用,瓦斯压力可以增大应力波作用时间和应力峰值。煤体爆破是爆炸应力波、爆生气体和瓦斯气体共同作用的结果。     

双聚能预裂与光面爆破综合技术

双聚能槽药卷的成形技术和确保聚能射流能够沿着预裂(光爆)面发挥气刃作用的对中技术使爆破应力波作用、爆轰气体的膨胀作用、聚能射流的气刃作用在岩体形成裂缝的瞬间能够有机结合、相互作用,从而实现预裂(光面)爆破机理和聚能爆破机理的有机结合,减少预裂(光面)爆破造孔工作量50%～65%、减少单位面积装药量50%～65%,节约成本50%～55%,还可以大大减小爆破对保留岩体的危害作用和增强岩石边坡的稳定性,并且加快施工进度.     

软分层厚度对煤体爆破致裂效果的数值模拟

根据煤体爆破致裂理论,结合工程实际,建立ANSYS/LS-DYNA有限元模型,研究了软分层厚度变化对含软分层煤体的致裂规律。结果表明:软分层改变了煤体内部裂纹扩展的方式和规律,导致上部硬煤层裂隙增多,下部硬煤层裂纹数量、扩展长度及分布集中度降低;软分层厚度变化只影响下部硬煤层的裂隙分布、裂隙集中度及裂隙贯通面积,对上部硬煤层几乎没有影响;拟合出了软分层厚度与峰值压力之间的关系曲线,结合致裂理论,可以估算出含软分层煤体致裂区域,为评估含软分层煤体致裂效果及有效治理瓦斯提供参考。     

多孔同段聚能爆破煤层增透数值模拟及应用

构建三维多孔同段(多个炮孔同时起爆)聚能爆破模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件再现聚能射流及爆炸应力波传播与叠加的过程,探讨应力波的传播规律;同时对多孔同段聚能爆破下不同间距炮孔间的煤体单元应力进行了分析。研究结果表明,炸药爆炸后形成聚能射流侵彻煤体,随后形成的爆炸应力波沿着各自的方向传播,之后相遇叠加,相邻炮孔间距越大,应力波叠加所需时间越长且叠加应力越小;比较不同间距相邻炮孔间煤体单元应力,发现裂隙首先在炮孔周围产生,随着爆轰气体的传播,裂缝将主要沿着炮孔连线扩展。只要相邻炮孔间距得当,相邻炮孔间煤体区域相当于受到2次爆破作用,使得煤体裂隙充分发育并相互贯通,提高瓦斯抽采率。同时在平顶山开展了煤层多孔聚能爆破现场实验,结果表明多孔聚能爆破能有效提高煤体致裂程度,同时确定了多孔聚能爆破最佳相邻炮孔间距。     

不同埋深条件下二氧化碳致裂爆破技术增透效果试验研究

根据断裂力学理论,分析了爆破压力、地应力对液态二氧化碳致裂爆破裂纹扩展和增透效果的影响。基于理论分析结果,在黑龙江兴山煤矿17#煤层开展试验研究。试验结果表明,17#煤层在埋藏深度为330m条件下,在泄放压力为150MPa或200MPa、爆破口间距为1180mm或2180mm时,增透效果相近,爆破口间距为3180 mm时,无论二氧化碳致裂爆破泄放压力为150MPa或200 MPa,增透效果均较差;埋藏深度为792m条件下,二氧化碳致裂爆破泄放压力200MPa、爆破口间距1180mm时的增透效果最好。     

基于CO2致裂影响的钻孔有效抽采半径研究

为了提高钻孔有效抽采半径,利用CO_2爆破所产生的高能气体对煤体进行冲击破坏,使煤体产生裂隙网络,从而有效地增加煤层透气性,阐述了CO_2爆破技术的工作原理和工艺流程,采用SF_6气体示踪法对爆破钻孔进行抽采半径测试,现场试验表明:CO_2爆破煤体致裂效果明显,大幅提高了羊东矿2~#煤层的抽采钻孔有效抽采半径,?94 mm顺层钻孔抽采时间为19、35、53 d时,有效抽采半径分别达到8.0、10.0、12.0 m。     

煤体爆破漏斗的试验研究

通过相似材料配比试验得到煤体相似材料及4组配比关系,根据配比制作煤体模型进行爆破漏斗试验。对爆破漏斗半径、可见爆后漏斗深度和爆破体积爆破漏斗参数等试验数据进行分析,得到了相同药量和埋深下,一般煤体(第Ⅱ组)较岩体(第Ⅰ组)容易爆破、不同药量和埋深下煤体爆破漏斗特性曲线及其关系式,1—4组爆破最佳埋深分别为0.092、0.096、0.094和0.100m。试验结果可为煤体爆破作用研究和煤体中爆破参数合理选择提供参考。     

基于液态CO_2相变致裂增透技术的煤层瓦斯治理

为增加低渗透高瓦斯煤层透气性,提高瓦斯抽采效率和利用率,减少瓦斯抽采周期,以FLAC~(3D)有限差分软件作为数值模拟求解工具,建立了液态CO_2相变气爆致裂增透的二维平面应变数值分析。通过对不同瓦斯压力对煤体致裂增透效应的模拟结果进行对比分析,得出一套适用于马堡煤矿瓦斯抽采的爆破方案,并在马堡煤矿152胶带下山进行了CO_2预裂爆破工业性实验。实验表明:经液态CO_2相变气爆后单孔瓦斯抽采浓度能达到普通钻孔抽采浓度的2～3倍。该技术的使用可以使煤体裂隙发育程度得到有效提高,改善瓦斯抽采效果,应用前景良好。     

高压氮气致裂增透实验系统的研发及应用

以气体射流冲击和高压氮气的准静态膨胀作用理论为基础,自主研制了高压氮气爆破致裂煤岩体实验系统,开展了不同氮气压力(5、7.5、10 MPa)和不同高压容器体积(1、2、3 L)条件下的高压氮气爆破致裂实验,以获得煤岩体在高压氮气爆破致裂过程中的动态变化规律。结果表明:随着氮气压力的提高,试块从最初的纵向主裂纹扩展为纵横2条主裂纹,次生裂纹更加发育,试块的裂纹增多、破碎度和裂纹扩展断裂区增大;同等压力下,随着高压容器体积的增大,试块主裂纹长度明显增加,次生裂纹扩展受到抑制。由高压氮气爆破致裂的p-t曲线分析,可将高压氮气爆破致裂过程根据其特点的不同分为3个阶段:气体射流冲击阶段、起裂阶段和断裂阶段。     

脉冲放电应力波致裂不同煤阶煤体规律研究

为了揭示脉冲放电应力波加载条件(峰值压力)对不同煤阶煤体致裂效果及其振动速度变化规律,利用PFC2D软件对不同加载条件下裂纹扩展规律及振动衰减进行了研究。研究结果表明:随着峰值压力的增大,裂隙数目、破裂面积都呈现出先增大后减小的趋势,15 MPa峰值压力下,肥煤、焦煤的裂纹数目、破裂面积达到最大;不同煤阶煤体达到裂纹数目最多时,煤阶越高所需要的峰值压力越大,相同峰值压力下煤阶越低,煤体产生的裂纹越多,致裂效果越好;验证了峰值压力与振动峰值速度有关,随着峰值压力的增大,速度呈现出先加快后减慢的趋势,在15MPa峰值压力下,肥煤、焦煤的振动衰减幅度比较平缓、持续时间比较长,无烟煤在35MPa峰值压力下衰减最平缓,故不同峰值压力下振动峰值速度不同。     

煤层钻孔静态爆破致裂半径数值模拟

为了研究煤层钻孔静态爆破过程中煤体的破碎范围以及确定合理的瓦斯抽采钻孔间距,通过设计实验测定了破碎材料的反应参数,并根据煤体基本参数和煤体变形的数学模型,利用COMSOL软件对煤层钻孔静态爆破对煤层的作用范围进行了数值模拟分析。研究结果表明,静态爆破使用的破碎材料产生的膨胀压力可以达到45~65 MPa,在孔径为100 mm的膨胀钻孔作用下,膨胀致裂半径达到了1.3 m,确定了该煤层抽放钻孔的合理间距。