本文關(guān)鍵詞：脈動(dòng)載荷下煤體裂隙演化規(guī)律及其在瓦斯抽采中的應(yīng)用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)》 2015年

脈動(dòng)載荷下煤體裂隙演化規(guī)律及其在瓦斯抽采中的應(yīng)用研究

李全貴  

【摘要】：煤礦瓦斯(煤層氣)是優(yōu)質(zhì)清潔能源,加速發(fā)展煤礦瓦斯抽采產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有保障國(guó)家能源安全、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、降低煤礦瓦斯事故、實(shí)現(xiàn)國(guó)家溫室氣體減排等重要意義。目前,我國(guó)煤礦井下瓦斯以鉆孔抽采為主,由于高瓦斯低透氣性煤層具有煤層賦存復(fù)雜多變、微孔隙、低滲透、瓦斯高吸附等特征,瓦斯抽采難度大,常規(guī)卸壓增透技術(shù)效果不明顯,嚴(yán)重制約著礦井安全生產(chǎn)和資源利用。脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)的出現(xiàn)為礦井瓦斯高效抽采提供了一條新的途徑。然而,脈動(dòng)水力壓裂作用下煤體裂隙演化規(guī)律的基礎(chǔ)研究明顯滯后于工程應(yīng)用,亟待進(jìn)一步研究和完善。本文以脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)的工程應(yīng)用為背景,采用理論分析、物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法,開展脈動(dòng)載荷下裂隙演化機(jī)制、脈動(dòng)頻率和脈動(dòng)壓力控制下裂隙演化規(guī)律等研究,取得的主要研究成果如下:(1)揭示了脈動(dòng)載荷下煤體破裂及裂隙演化機(jī)制。脈動(dòng)載荷作用下,試件被“層層剝落”,裂隙經(jīng)歷了閉合-線性變形-穩(wěn)定擴(kuò)展的非線性變形-加速擴(kuò)展至試件破裂,擴(kuò)展速度遠(yuǎn)小于靜壓載荷。試件出現(xiàn)塑性應(yīng)變,力學(xué)強(qiáng)度降低,微小裂隙得到充分?jǐn)U展和溝通,細(xì)觀裂隙參與破裂過(guò)程,形成多個(gè)破裂面,試件內(nèi)部形成較好的裂隙網(wǎng)絡(luò)。脈動(dòng)載荷的峰值載荷為靜壓載荷的85%。(2)研制了脈動(dòng)變頻加載及煤體致裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。主要包括脈動(dòng)壓力發(fā)生及變頻系統(tǒng)、真三軸加載系統(tǒng)、壓力及流量控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng),具有脈動(dòng)頻率無(wú)極調(diào)速、大尺寸試件真三軸應(yīng)力加載、裂隙演化過(guò)程可控及參數(shù)可測(cè)等功能,可開展不同地應(yīng)力、加載方式、脈動(dòng)參數(shù)等條件下煤體裂隙演化實(shí)驗(yàn),為脈動(dòng)水力壓裂的實(shí)驗(yàn)室研究奠定了基礎(chǔ)。(3)探索了脈動(dòng)頻率在煤體裂隙演化中的作用機(jī)制。理論分析了脈動(dòng)載荷下煤巖體的疲勞損傷機(jī)理,開展了固定頻率和變頻的脈動(dòng)水力壓裂物理實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,低頻時(shí),試件被“軟化”,起裂壓力和裂隙擴(kuò)展速率降低,微小裂隙得到發(fā)育和擴(kuò)展,裂隙破裂面復(fù)雜;高頻時(shí),壓力幅值大,起裂壓力和裂隙擴(kuò)展速率升高,裂隙形態(tài)單一。根據(jù)研究成果,提出了變頻脈動(dòng)加載方式,提高裂隙演化效果。(4)探索了脈動(dòng)壓力控制下煤體裂隙演化機(jī)制。理論分析了脈動(dòng)載荷作用下裂隙起裂及延伸規(guī)律,認(rèn)為,在動(dòng)態(tài)的脈動(dòng)載荷作用下,裂隙起裂和延伸隨機(jī)性增強(qiáng),裂隙演化更加復(fù)雜。數(shù)值模擬驗(yàn)證了以上結(jié)論,發(fā)現(xiàn),相對(duì)于靜壓載荷,脈動(dòng)載荷作用下裂隙數(shù)量增加了20%以上,起裂壓力降低了85%以上;脈動(dòng)壓力幅值對(duì)裂隙數(shù)量、起裂壓力等有一定的影響。物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明,降低裂隙脈動(dòng)壓力幅值能夠提高微小裂隙的起裂、擴(kuò)展。根據(jù)研究成果,提出了基于脈動(dòng)壓力控制的裂隙演化控制方式,促進(jìn)裂隙網(wǎng)絡(luò)的形成�；谝陨涎芯砍晒�,建立了以促進(jìn)煤體裂隙網(wǎng)絡(luò)形成為目標(biāo)的脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)體系,工業(yè)性試驗(yàn)表明,脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)實(shí)施后,瓦斯抽采濃度提高了2.22倍以上,瓦斯抽采流量提高了2.63倍以上,鉆孔施工量減少了58%,工作面瓦斯解吸指標(biāo)K1降至臨界值以下,保證了巷道安全掘進(jìn)。上述研究成果對(duì)完善脈動(dòng)水力壓裂煤體致裂機(jī)理、優(yōu)化脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)參數(shù)、提高脈動(dòng)水力壓裂增透增產(chǎn)效果等方面具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】：
【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】：2015
【分類號(hào)】：TD712.6
【目錄】：

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