马堡矿水力压裂增透技术及其应用研究

摘要

本文主要采用理论分析，数值模拟以及现场实践相结合的方法对马堡矿水力压裂卸压增透技术进行研究。通过力学相关理论对裂隙的形成，扩展和延伸进行了分析，根据马堡矿实际地质情况以及煤岩的力学参数，应用RFPA2D—Flow数值模拟软件对水力压裂过程进行模拟，最后通过现场试验对马堡矿15＃煤层15108工作面进行水力压裂增透技术措施。在现场应用中发现，瓦斯抽采浓度和流量显著提高，提高了煤层的透气性，确定了适合马堡矿的水力压裂影响半径，具体研究内容如下:
　　首先，采用相关力学理论对原岩应力，裂隙的类型，高压水对裂隙的致裂机理以及裂隙的延伸和扩展机理进行分析，重点对注水前钻孔围岩应力与渗透率变化关系以及注入高压水后钻孔的应力分布和钻孔周围的应力变化进行分析。
　　其次，根据马堡矿的实际地质特征以及煤岩物理力学参数建立模型，并用RFPA2D—Flow对水力压裂过程进行数值模拟，重点对煤体剪应力场，声发射场以及水压在钻孔围岩的分布规律进行模拟，并分析了高压水对煤体的破坏过程，以及裂隙的扩展过程。
　　最后，对水力压裂增透技术在马堡矿15108工作面进行现场试验，分别对水力压裂增透技术实施前后的浓度和流量进行监测。通过比较发现:增透后的煤层瓦斯抽采浓度和流量都有了很大程度的提高，大大提高了煤层的透气性。通过压裂前后含水率以及压裂区和非压裂区瓦斯浓度和流量对比，充分说明水力压裂增透技术的有效性及可行性，是增大高瓦斯低透气性煤层透气性，提高瓦斯抽采效果的重要举措。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题背景

1．2 研究意义

1．3 煤层瓦斯抽采理论国内外研究现状

1．3．1 煤层瓦斯国内瓦斯研究现状

1．3．2 国外瓦斯抽采研究现状

1．3．3 水力压裂增透技术的研究现状

1．3．4 国外瓦斯抽采概况

1．3．5 国内瓦斯抽采情况

1．4 主要研究内容及技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 主要技术路线

2 矿井瓦斯基础参数测定

2．1 矿井概况

2．2 试验工作面概况及瓦斯基础参数

2．3 本章小结

3 煤层注水起裂机理

3．1 煤岩体的孔隙与裂隙特征

3．2 钻孔水力压裂的致裂机理

3．2．1 钻孔围岩特征

3．2．2 注水前圈岩应力与渗透率特点分析

3．2．3 钻孔注水后钻孔周边应力分布

3．2．4 高压注水后钻孔受力分析

3．3 煤层注水后裂隙的扩展的定性分析

3．3．1 高压水注入煤层的过程分析

3．3．2 弱面端部裂隙延伸机理研究

3．3．3 弱面端部裂隙扩展理论研究

3．4 本章小结

4 水力压裂煤层瓦斯运移规律及运动方程

4．1 线性渗透定律——Darcy方程

4．2 非线性渗透

4．3 瓦斯扩散理论及菲克定律

4．4 瓦斯流动方程

4．4．1 质量守恒方程

4．4．2 动量守恒方程

4．4．3 能量守恒方程

4．5 本章小结

5 水力压裂数值模拟

5．1 RFPA20——Flow介绍

5．2 RFPA软件基本原理

5．2．1 基于弹性损伤理论

5．2．2 网格划分

5．2．3 赋值计算与相变分析

5．2．4 RFPA程序流茬图

5．3 模型建立

5．4 煤体剪应力场模拟及分析

5．5 煤体声发射场模拟及结果分析

5．6 孔内水压力场分布云图

5．7 本章小结

6 水力压裂技术及现场施工工艺

6．1 技术实施方案

6．2 水力压裂系统组成

6．3 高压水力压裂钻孔布置及封孔

6．4 水力压裂增透实验流程

6．4．1 水力压裂试验地点

6．4．2 水力压裂实验过程

6．5 水力压裂增透抽采效果分析

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历

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