【摘要】：在我國(guó)煤礦開(kāi)采過(guò)程中，與瓦斯相關(guān)的危害越來(lái)越嚴(yán)重，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)。同時(shí)瓦斯作為一種非常規(guī)天然氣能源，儲(chǔ)量達(dá)36.8萬(wàn)億m3。我國(guó)70%左右的煤層瓦斯賦存具有微孔隙、低滲透率、高吸附的特征。水力壓裂是提高煤層瓦斯抽采效率的有效技術(shù)措施之一，但是現(xiàn)有水力壓裂技術(shù)需設(shè)備大、壓力大，不利于煤礦井下推廣。本文采用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，在常規(guī)水力壓裂基礎(chǔ)上提出了脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)，取得如下主要研究成果： 首先研究了地應(yīng)力和脈動(dòng)壓力波兩種載荷作用下煤巖體破裂損傷機(jī)理。分析了脈動(dòng)壓力波產(chǎn)生機(jī)理，確定流量脈動(dòng)率。在分析煤巖體孔隙、裂隙的基礎(chǔ)上，研究地應(yīng)力對(duì)煤巖體力學(xué)性質(zhì)及對(duì)水力壓裂的影響規(guī)律。確定總應(yīng)力強(qiáng)度因子為地應(yīng)力與脈動(dòng)壓力波分別作用于煤巖體上位移和應(yīng)力的分量之和，描繪出總應(yīng)力強(qiáng)度因子曲線(xiàn)。研究水力壓裂起裂及擴(kuò)展機(jī)理，并利用數(shù)值模擬軟件驗(yàn)證，得出水力壓裂能使煤巖體應(yīng)力帶想壓裂孔兩側(cè)煤層深處移動(dòng)，并在大范圍內(nèi)形成了塑性變形，有效降低地應(yīng)力的同時(shí)破壞煤巖體，有效降低煤層的瓦斯壓力。 第二、將脈動(dòng)壓力的傳播看做應(yīng)力波的傳播，選取瞬變流模型為研究脈動(dòng)壓力波傳播基本模型，利用脈動(dòng)壓力傳播方程對(duì)脈動(dòng)壓力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析裂隙貫通前后脈動(dòng)壓強(qiáng)變化規(guī)律，脈動(dòng)反射波由于波速和流速的疊加，使其在裂隙尖端出現(xiàn)壓力增大的現(xiàn)象。利用脈動(dòng)水力壓裂平臺(tái)驗(yàn)證在管路閉合條件下，脈動(dòng)頻率為50Hz與40Hz時(shí)，脈動(dòng)壓力波波峰在裂隙尖端出現(xiàn)壓力增大現(xiàn)象，最大增幅50%。在此基礎(chǔ)上研究脈動(dòng)壓力波破煤巖機(jī)理，得出脈動(dòng)水力壓裂能以較小的脈動(dòng)壓力取得常規(guī)水力壓裂的效果。 第三、針對(duì)本煤層脈動(dòng)水力壓裂封孔困難的狀況，分析高壓封孔的基本原理，通過(guò)添加膨脹劑、減水劑等材料研制出水泥基抗高壓封孔材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別得出膨脹劑與減水劑的添加配比，利用低場(chǎng)核磁共振設(shè)備研究添加膨脹劑與減水劑的水泥漿體的水化反應(yīng)過(guò)程，將水化反應(yīng)分為四個(gè)階段，指出在反應(yīng)期（1.5h之內(nèi)）完成現(xiàn)場(chǎng)注漿工作，得出水化反應(yīng)的起始時(shí)間，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供理論指導(dǎo)。 最后，為配合高壓脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用，解決工程實(shí)踐中遇到的問(wèn)題，研制了高壓脈動(dòng)水力壓裂一體化裝備，提出治理高瓦斯低透氣性煤層卸壓增透的“鉆”“壓”“抽”三位一體技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上將該裝備應(yīng)用于晉煤集團(tuán)成莊礦，共在三個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定分析。 研究成果在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，實(shí)施脈動(dòng)水力壓裂后，瓦斯抽采效果明顯。脈壓裂孔平均純流量為0.05m3/min，為普通抽采孔的2.5倍。壓裂結(jié)束后壓裂區(qū)域含水量提高2倍左右，煤層透氣性系數(shù)增加了47.8倍，達(dá)到41m2/(MPa2d)，壓裂后壓裂孔周?chē)?0m范圍內(nèi)脈沖及輻值明顯降低，使支承壓力峰值降低。 研究結(jié)果對(duì)于單一低透煤層瓦斯防治提供理論與實(shí)踐基礎(chǔ)，課題研究期間作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文7篇，其中EI檢索兩篇，EI錄用兩篇，獲得各項(xiàng)科研獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng)。
【圖文】：

基高壓封孔材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別得出膨脹劑與減水劑的添加配比，利用低場(chǎng)共振設(shè)備研究添加膨脹劑與減水劑的水泥漿體的水化反應(yīng)過(guò)程，為現(xiàn)場(chǎng)施工理論指導(dǎo)。1.4 研究思路（Research course）本文研究脈動(dòng)水力壓裂脈動(dòng)波的產(chǎn)生機(jī)理，理論分析在地應(yīng)力與脈動(dòng)壓作用下，煤巖體起裂及擴(kuò)展機(jī)理，研究脈動(dòng)壓力波的產(chǎn)生及傳播機(jī)理，將脈力波在裂隙交界面分為透射與反射兩部分，分別研究其對(duì)煤巖體的破壞作用究脈動(dòng)透射波致裂的最小作用準(zhǔn)則及起裂與擴(kuò)展機(jī)理。分析脈動(dòng)水力壓裂中頻率對(duì)壓裂效果的影響，從而得出合理的工藝參數(shù)。搭建脈動(dòng)水力壓裂實(shí)驗(yàn)平利用實(shí)驗(yàn)手段收集脈動(dòng)參數(shù)，考察脈動(dòng)水流在裂隙內(nèi)的傳播規(guī)律。分析高壓的基本原理，，通過(guò)添加膨脹劑、減水劑等材料研制出水泥基高壓封孔材料，實(shí)驗(yàn)分別得出膨脹劑與減水劑的添加配比，利用低場(chǎng)核磁共振設(shè)備研究添加劑與減水劑的水泥漿體的水化反應(yīng)過(guò)程，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供理論指導(dǎo)。

將其劃分為 4 個(gè)區(qū)域，即：破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，如圖 2-1 所示。圖2-1 圓形鉆孔圍巖變形區(qū)及應(yīng)力分布Figure2-1 Deformation Zone and Stress Distribution around Circular Drilling在Ⅰ區(qū)，煤巖體處于破碎狀態(tài)，主要由于摩擦阻力的存在才使其保持平衡；在Ⅱ區(qū)內(nèi)，煤體處于壓縮變形的塑性狀態(tài)，在應(yīng)力重新分布的作用下，內(nèi)部裂隙會(huì)發(fā)育；在Ⅲ區(qū)內(nèi)，煤體處于外力作用下的彈性變形狀態(tài)，煤巖體內(nèi)部所具有的裂隙以煤巖體原生裂隙及節(jié)理為主。在彈性區(qū)域之外是原巖應(yīng)力區(qū)，該區(qū)域內(nèi)煤體可視為不受鉆孔施工因素的影響[77, 78]。當(dāng)然以上鉆孔圍巖幾個(gè)區(qū)域的劃分不是嚴(yán)格區(qū)分的，中間都有相應(yīng)的過(guò)渡帶。鉆孔周?chē)扑閰^(qū)及裂隙的存在為脈動(dòng)水力壓裂起裂及擴(kuò)展提供前提條件。2.3 本煤層脈動(dòng)水力壓裂起裂機(jī)理（The pulsating hydraulicfracturing mechanism in the coal seam）地應(yīng)力[79]是地殼在各種運(yùn)動(dòng)過(guò)程中和自重作用下，巖體在天然條件下產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類(lèi)號(hào)】：TD712

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 蘇國(guó)韶;張小飛;符興義;陳光強(qiáng);;爆炸荷載作用下巖體振動(dòng)特性的DE-FLAC~(3D)數(shù)值模擬方法[J];北京理工大學(xué)學(xué)報(bào);2009年06期

2 顏峰;姜福興;;爆炸沖擊載荷作用下巖石的損傷實(shí)驗(yàn)[J];爆炸與沖擊;2009年03期

3 肖立志,石紅兵;低場(chǎng)核磁共振巖心分析及其在測(cè)井解釋中的應(yīng)用[J];測(cè)井技術(shù);1998年01期

4 孫振平;俞洋;龐敏;楊培強(qiáng);俞文文;曹紅婷;;低場(chǎng)核磁共振技術(shù)在水泥基材料研究中的應(yīng)用及展望[J];材料導(dǎo)報(bào);2011年07期

5 冷雪峰 ,楊天鴻 ,國(guó)懷專(zhuān) ,李連崇;單孔巖石水壓致裂過(guò)程的數(shù)值模擬分析[J];世界有色金屬;2002年10期

6 劉萬(wàn)倫;水力沖刷防突技術(shù)在突出煤層掘進(jìn)工作面的應(yīng)用[J];礦業(yè)安全與環(huán)保;2004年04期

7 高振勇;張志剛;尹斌;;提高聚氨酯封孔質(zhì)量的研究[J];礦業(yè)安全與環(huán)保;2009年S1期

8 陽(yáng)友奎,肖長(zhǎng)富,吳剛,邱賢德;不同地應(yīng)力狀態(tài)下水力壓裂的破裂模式[J];重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1993年03期

9 許江;陸漆;吳鑫;劉東;;不同顆粒粒徑下型煤孔隙及發(fā)育程度分形特征[J];重慶大學(xué)學(xué)報(bào);2011年09期

10 張廣洋，胡耀華，姜德義;煤的瓦斯?jié)B透性影響因素的探討[J];重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1995年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 劉沛清;挑射水流對(duì)巖石河床的沖刷機(jī)理研究[D];清華大學(xué);1994年

2 趙伏軍;動(dòng)靜載荷耦合作用下巖石破碎理論及試驗(yàn)研究[D];中南大學(xué);2004年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 周楊洲;穿層水力沖孔技術(shù)的研究及應(yīng)用[D];安徽理工大學(xué);2011年

2 王輝;爆炸荷載下巖石爆破損傷斷裂機(jī)理研究[D];西安科技大學(xué);2003年

本文編號(hào)：2521079