發(fā)布時(shí)間：2017-06-03 04:13

  本文關(guān)鍵詞：三維旋轉(zhuǎn)水射流與水力壓裂聯(lián)作增透技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：對(duì)于松軟、低透氣性煤層,特別是單一突出煤層,采用現(xiàn)有的瓦斯抽采技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)。采取煤層增透措施,是解決此難題的關(guān)鍵。煤體結(jié)構(gòu)改造是煤層增透的焦點(diǎn),而以水射流和水力壓裂為代表的水力化技術(shù),是煤體結(jié)構(gòu)改造的有效途徑。本文以水力化煤層增透技術(shù)為研究對(duì)象,采用理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)與井下試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)三維旋轉(zhuǎn)水射流與水力壓裂聯(lián)作增透技術(shù)進(jìn)行了較為深入系統(tǒng)的研究,并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用,具有重要的理論和實(shí)際意義。全文取得了以下主要研究成果:采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究了非均勻應(yīng)力場(chǎng)下穿層鉆孔擴(kuò)孔后煤層增透的力學(xué)機(jī)制。結(jié)果表明,隨著孔徑的增大,其圍巖塑性區(qū)的面積呈近似拋物線形快速增長(zhǎng),而圍巖塑性區(qū)的等效直徑與孔徑基本成線性關(guān)系,因而采用水射流擴(kuò)孔的方法能夠?qū)崿F(xiàn)煤層的卸壓、增透。利用ANSYS研究了淹沒條件下旋轉(zhuǎn)水射流噴嘴的流場(chǎng)特性,經(jīng)優(yōu)選確定出現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)孔用噴嘴所配葉輪的導(dǎo)向角為45°。在實(shí)驗(yàn)室的水射流試驗(yàn)系統(tǒng)上測(cè)試了淹沒條件下旋轉(zhuǎn)水射流噴嘴的破巖、擴(kuò)孔能力。對(duì)非淹沒條件下三維旋轉(zhuǎn)水射流流場(chǎng)的模擬結(jié)果表明,通過噴頭帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)水射流噴嘴旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的三維旋轉(zhuǎn)水射流的速度,特別是切向速度,要高于不旋轉(zhuǎn)時(shí),從而提高了水射流的破煤擴(kuò)孔能力�；谝陨涎芯�,提出了三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔方法。應(yīng)用彈性力學(xué)理論分析了地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)穿層鉆孔水力壓裂的起裂壓力和裂縫擴(kuò)展方位角的控制作用。對(duì)水射流擴(kuò)孔后鉆孔周圍不同方向上水平主應(yīng)力分布的分析結(jié)果表明,擴(kuò)孔后再進(jìn)行水力壓裂,裂縫容易沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展。從彈性力學(xué)和滲流力學(xué)的角度,研究了早期壓裂裂縫的誘導(dǎo)應(yīng)力對(duì)后期裂縫的發(fā)育所產(chǎn)生的誘導(dǎo)作用。采用RFPA2D-Flow模擬了不同鉆孔布置和壓裂方式下裂縫的起裂、延伸與擴(kuò)展規(guī)律,驗(yàn)證了控制鉆孔對(duì)裂縫的導(dǎo)控作用,證實(shí)了同步壓裂期間在先形成的裂縫對(duì)后發(fā)育裂縫的誘導(dǎo)作用下,后期裂縫轉(zhuǎn)向擴(kuò)展并最終形成了網(wǎng)狀裂縫結(jié)構(gòu)。揭示了三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔與水力壓裂聯(lián)作增透的機(jī)理。提出了三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔與水力壓裂聯(lián)作增透的技術(shù)方法,它把常規(guī)鉆孔與擴(kuò)孔鉆孔搭配起來,形成中心孔與周邊孔聯(lián)合布置方式,通過中心孔壓裂或者周邊孔同步壓裂來實(shí)現(xiàn)煤層的卸壓及增透。開發(fā)了組合噴頭、螺旋輔助排渣鉆桿、高壓旋轉(zhuǎn)接頭和高壓水射流作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),形成了井下高壓旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔成套新裝備。利用所開發(fā)的裝備,在4個(gè)典型礦井各開展了1種煤層增透方法的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用,使鉆孔的瓦斯抽采純流量提高了0.79~3.79倍,取得了較好的應(yīng)用效果,具有廣闊的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】：三維旋轉(zhuǎn)水射流 擴(kuò)孔 水力壓裂 煤層增透 瓦斯抽采
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(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】：

• 致謝4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-8
• Extended Abstract8-28
• 變量注釋表28-29
• 1 緒論29-51
• 1.1 研究背景與意義29-30
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀30-47
• 1.3 水力化煤層增透技術(shù)存在的問題及不足47-48
• 1.4 主要研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線48-51
• 2 含瓦斯煤體的結(jié)構(gòu)與滲流性能51-64
• 2.1 煤體結(jié)構(gòu)51-52
• 2.2 煤的裂隙52-54
• 2.3 煤的孔隙54-55
• 2.4 煤層瓦斯的運(yùn)移55-59
• 2.5 煤體的滲透性59-62
• 2.6 本章小結(jié)62-64
• 3 淹沒旋轉(zhuǎn)射流的基本理論及破巖（煤）過程64-86
• 3.1 淹沒旋轉(zhuǎn)射流的基本理論64-73
• 3.2 旋轉(zhuǎn)水射流破巖（煤）過程73-76
• 3.3 旋轉(zhuǎn)水射流破巖效果的影響因素76-78
• 3.4 三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔煤層增透的力學(xué)機(jī)制78-84
• 3.5 本章小結(jié)84-86
• 4 三維旋轉(zhuǎn)水射流流場(chǎng)的數(shù)值模擬86-115
• 4.1 高壓旋轉(zhuǎn)水射流噴嘴的設(shè)計(jì)86-91
• 4.2 模擬軟件PERA ANSYS簡(jiǎn)介91-92
• 4.3 模型的建立92-94
• 4.4 控制方程及邊界條件94-97
• 4.5 數(shù)值模擬結(jié)果分析97-108
• 4.6 旋轉(zhuǎn)射流噴嘴性能的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試108-113
• 4.7 本章小結(jié)113-115
• 5 水射流與水力壓裂聯(lián)作增透機(jī)理115-160
• 5.1 穿層鉆孔水力壓裂的理論分析115-123
• 5.2 水射流擴(kuò)孔后定向壓裂裂縫的起裂機(jī)理123-128
• 5.3 三維旋轉(zhuǎn)水射流與水力壓裂聯(lián)作增透數(shù)值分析128-158
• 5.4 本章小結(jié)158-160
• 6 三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔裝備的研制及地面聯(lián)機(jī)試驗(yàn)160-170
• 6.1 煤礦現(xiàn)場(chǎng)用噴嘴的設(shè)計(jì)原理160-161
• 6.2 組合高壓旋轉(zhuǎn)水射流噴頭及噴嘴161-163
• 6.3 螺旋輔助排渣高壓鉆桿163-165
• 6.4 回轉(zhuǎn)式高壓旋轉(zhuǎn)接頭165-166
• 6.5 井下高壓水射流作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)166-167
• 6.6 井下高壓旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔系統(tǒng)167-169
• 6.7 本章小結(jié)169-170
• 7 三維旋轉(zhuǎn)水射流與水力壓裂聯(lián)作增透技術(shù)在瓦斯抽采中的應(yīng)用170-197
• 7.1 三維旋轉(zhuǎn)水射流與水力壓裂聯(lián)作增透工藝170-171
• 7.2 三維旋轉(zhuǎn)水射流與水力壓裂聯(lián)作增透工藝流程171-173
• 7.3 增透效果考察方法173-174
• 7.4 不同增透技術(shù)在礦井瓦斯抽采中的應(yīng)用174-190
• 7.5 井下水力壓裂過程分析190-194
• 7.6 本章小結(jié)194-197
• 8 結(jié)論、創(chuàng)新及展望197-202
• 8.1 全文總結(jié)197-199
• 8.2 創(chuàng)新點(diǎn)199-200
• 8.3 展望200-202
• 參考文獻(xiàn)202-221
• 作者簡(jiǎn)歷221-224
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集224

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本文編號(hào)：417245