【摘要】：深部資源的開(kāi)發(fā)和隧道地鐵等地下空間工程的不斷發(fā)展,對(duì)巖巷掘進(jìn)、硬巖破碎提出了新的挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的鉆爆法破巖工序復(fù)雜安全性差,掘進(jìn)設(shè)備破巖效率低,無(wú)法持續(xù)的進(jìn)行深部巖石的開(kāi)挖。基于此本文提出高壓泡沫漲裂破巖技術(shù),利用巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度的特性進(jìn)行巖石破碎研究。本文主要采用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和仿真研究相結(jié)合的方法對(duì)高壓泡沫漲裂裝置破巖開(kāi)展研究�；谂菽髯兝碚摵退淞髌茙r拉伸-水楔理論,構(gòu)建泡沫漲裂巖石有限元模型,分析了泡沫射流柱沖擊巖石孔底的應(yīng)力分布和傳遞規(guī)律,對(duì)比實(shí)際實(shí)驗(yàn)得出巖石的泡沫漲裂破碎形態(tài)由泡沫射流沖擊力、孔底密封空間漲裂力、泡沫流體在巖石裂縫中的流動(dòng)壓力共同作用造成巖石的破壞,并通過(guò)水射流拉伸-水楔理論解釋了泡沫漲裂巖石破裂的宏觀破碎形態(tài)呈錐形破碎坑�；谂菽钥匕l(fā)生與配比實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行泡沫配比發(fā)生實(shí)驗(yàn),分析泡沫物理形態(tài)、泡沫特性及流動(dòng)特性間的關(guān)系,得到適合加壓和漲裂用的分散態(tài)泡沫;研究發(fā)泡劑濃度和空氣含量對(duì)發(fā)生泡沫效果的影響,在所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上從泡沫粘性、半衰期、發(fā)泡倍數(shù)三個(gè)方面分析泡沫流體的粘性和穩(wěn)定性,得到水、發(fā)泡劑、空氣的最佳配比方案,并對(duì)水和泡沫兩種不同介質(zhì)的漲裂破巖效果進(jìn)行優(yōu)勢(shì)特性分析�；谟邢拊Ｐ秃蚮luent流場(chǎng)仿真,設(shè)計(jì)了高壓泡沫漲裂裝置的整體結(jié)構(gòu),并對(duì)裝置的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和液壓閥體開(kāi)啟特性進(jìn)行研究,得到裝置內(nèi)泡沫壓力腔的最佳參數(shù)和閥體與噴射口的最佳配合角度,并加工出高壓泡沫漲裂裝置。基于高壓泡沫漲裂破巖實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行不同巖石硬度、孔深變化、裝置壓力、二次漲裂等參數(shù)條件下的高壓泡沫漲裂破巖實(shí)驗(yàn),分析了不同漲裂參數(shù)對(duì)巖石揭裂面大小、破碎坑深度、破碎塊度、破碎質(zhì)量、泡沫漲裂壓力變化的影響,得到高壓泡沫漲裂裝置破巖作業(yè)的最佳參數(shù)和局部裂縫網(wǎng)絡(luò)在二次漲裂作業(yè)下的形成機(jī)理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)破碎結(jié)果和壓力變化對(duì)建立的高壓泡沫漲裂孔底密封模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證,探究泡沫漲裂破巖過(guò)程中密封距離變化對(duì)巖石裂縫起裂擴(kuò)展的影響,得出高壓泡沫漲裂裝置在孔底密封距離為40~60 mm的范圍內(nèi)孔底漲裂效果較好,巖石裂縫發(fā)育完全并伴有巖石上表面的損傷。
【圖文】：

圖 1-4 水力壓裂技術(shù)Figure 1-4 Hydraulic fracturing technology壓裂從 1985 年開(kāi)始廣泛用于頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂增產(chǎn)作業(yè)中，多級(jí)壓壓裂、水力噴射壓裂和重復(fù)壓裂是目前頁(yè)巖油氣水力壓裂常用技得了成功。如圖 1-4 所示在水力壓裂過(guò)程中，通過(guò)高壓壓裂液的產(chǎn)生新的裂縫，連通巖石內(nèi)部原有的天然裂縫，進(jìn)而形成復(fù)雜的裂中人工裂縫與天然裂縫、以及天然裂縫相互之間的連通性對(duì)于儲(chǔ)響，只有形成穩(wěn)定有效的人工壓裂裂縫，才容易形成規(guī)�；嗷ミ@正是水力壓裂破巖需要深入研究和克服的難點(diǎn)。壓裂技術(shù)是 70 年代以來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)適用于大規(guī)模壓裂、低壓施，與常規(guī)壓裂液相比，泡沫壓裂液具有高黏度、低濾失、低摩優(yōu)點(diǎn)，是開(kāi)發(fā)極低滲透油氣田的一項(xiàng)重要技術(shù)[4]，，在國(guó)內(nèi)外壓裂重要的位置，在影響壓裂成敗的因素中，最為主要的是壓裂液的流效實(shí)施壓裂工藝、選擇合理的壓裂參數(shù)、進(jìn)行更為準(zhǔn)確的裂縫預(yù)等都至關(guān)重要。泡沫壓裂液的流變特性受多種因素影響，包括泡

2 泡沫漲裂破巖理論研究高壓泡沫漲裂破巖理論研究了更為直觀的觀察和研究巖石在高壓泡沫漲裂過(guò)程中的應(yīng)力分布狀態(tài)規(guī)律，基于autodyn仿真分析軟件建立巖石的600 mm 800 mm的切面裂孔深度為 200 mm，直徑為 50 mm，裝置噴射管距離孔底距離空間為2 材料失效準(zhǔn)則建立巖石的 SPH 模型，并在模型兩側(cè)和底部設(shè)置非反泡沫射流柱采用液相為水和氣相為空氣的 SPH 粒子建立射流柱模型 的速度（對(duì)應(yīng)約 20 MPa 的射流壓力）沖擊漲裂孔底部。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TD263

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2693407