液态二氧化碳相变射孔致裂煤岩体增透机理及应用研究

摘要

瓦斯是成煤过程中产生的伴生气体,是影响煤矿安全生产的主要因素,也是一种储量及热值与天然气相当的不可再生资源.因此实现煤层瓦斯井下规模化抽采不仅是预防矿井瓦斯灾害的根本保证,同时也是瓦斯综合利用的前提工作.近年来,随着开采深度的增加,深部煤岩瓦斯复合动力灾害危险性加大,如何实现深部煤层瓦斯的高效抽采已成为保障我国煤炭企业安全生产的重要问题,而低透气性煤层增产改造则是其中的核心技术和热点问题.本文在国家自然科学基金重点项目(51434003)的资助下,针对液态二氧化碳相变射孔煤岩体致裂增透机理,综合采用岩石力学、渗流力学、空气动力学、断裂力学等理论基础,基于理论研究、实验研究、数值模拟研究、现场研究等方法,进行液态 CO2相变射孔煤岩体致裂实验装置研发、液态CO2相变射孔气体冲击动力学特征研究、液态CO2相变射孔冲击煤岩体致裂裂隙扩展力学机理研究、液态 CO2相变射孔冲击煤岩体致裂及裂隙扩展规律实验研究、低透煤层液态 CO2相变射孔致裂卸压增渗机理研究.在以上实验及理论研究基础上,进行液态CO2相变射孔煤岩体致裂技术装备研发,在川煤集团白皎煤矿及杉木树煤矿进行试验及工业应用取得良好的应用效果.本文主要研究成果如下:　　①分析获得了白皎煤矿试验地点煤岩物质组成、微观结构特征、气体吸附特征及其基本力学性质等参数;理论研究提出了一种可避免取样角度偏差造成误差的 Kaiser 效应法地应力计算方法,采用空心包体应力解除法进行测试结果验证,表明本研究提出的计算方法合理可靠.　　②针对"液态CO2相变射孔气体冲击动力学特征",理论分析得到了液态CO2相变高压气体冲击射流出口速度及质量流量理论模型,建立了定量液态二氧化碳相变高压气体冲击射流出口压力理论方程;自主研发"液态 CO2相变射孔煤岩体致裂实验装置",开展了液态 CO2相变射孔气体射流冲击动力学特征实验研究,揭示了射流速度与系统初始压力及射流打击力与系统初始压力、靶体距离、靶体夹角之间的关系.　　③围绕"液态 CO2相变射孔冲击致裂裂隙扩展机理"研究,进行煤岩体液态CO2相变射孔冲击起裂压力及起裂模型研究,获得地应力条件下倾斜钻孔孔壁起裂压力理论方程,提出了地应力条件下倾斜钻孔优势致裂方向判断方法;计算得到破坏区半径随冲击破坏时间及空间位置的变化规律曲线,理论研究得到考虑三维主应力的含瓦斯煤岩体 Ⅰ 型裂纹液态二氧化碳相变高压气体射孔致裂裂隙扩展理论模型,建立了液态二氧化碳相变高压气体冲击作用下含瓦斯煤岩体张开型(Ⅰ型)及剪开型(Ⅱ型)裂纹冲击及剪切断裂判据,揭示了液态二氧化碳相变高压气体冲击破岩及裂隙扩展力学机理.　　④采用自主研发"液态 CO2相变射孔煤岩体致裂实验装置"针对"液态 CO2相变射孔冲击致裂裂隙扩展规律",系统开展了煤岩体液态 CO2相变射孔冲击破坏宏微观特征实验研究、三轴应力条件下液态 CO2相变射孔致裂及裂隙扩展规律研究.液态 CO2相变射孔冲击煤岩体破坏及其宏微观特征实验研究表明,实验煤样破坏阈值压力为17 MPa,随着射流压力的增加,致裂破坏区面积增大;液态CO2相变高压气体射流冲击造成的孔隙、裂隙数量与尺寸随着射流压力的增大而增大,最大可提高煤样孔容188.51%,提高煤样孔隙度163.01%.三维地应力下液态二氧化碳相变高压气体射孔煤岩体冲击致裂破坏及裂隙扩展规律研究,表明该技术可用于地应力条件下煤层致裂,且致裂裂隙尺寸与射流初始压力之间呈指数关系;随着射流初始压力的增大主裂隙扭转趋势减小,试件主破裂面的起伏程度降低、表面擦痕减少,内部微裂隙数量增加;受三维地应力大小分布影响液态 CO2相变射孔致裂裂隙会向主应力较大的方向扩展;液态 CO2相变射孔致裂裂隙随着试件力学强度的增大而减小;受层理影响穿层钻孔致裂裂隙主要沿层理软弱结构面扩展,顺层钻孔致裂裂隙扩展至层理处会发生较大的方向改变;含裂隙煤岩体致裂裂隙扩展受钻孔与裂隙空间位置影响,当裂隙面与致裂孔相交时,试件沿裂隙面产生破坏形成复杂裂隙网络,当裂隙面与致裂孔距离较远时,试件破坏不受裂隙影响.　　⑤围绕"低透煤层液态 CO2相变射孔致裂卸压增渗机理研究",采用"含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置"进行含瓦斯煤岩体卸压增渗实验研究,理论研究建立了基于立方体结构的煤岩体卸压损伤渗透率模型,验证表明该模型能够有效反映煤岩体卸压损伤过程中瓦斯渗流规律;建立了穿层钻孔抽采过程煤层瓦斯压力分布模型,表明煤层瓦斯渗透率、综合压缩系数、瓦斯抽采时间及抽采流量等是影响煤层瓦斯压降速度的主要因素.　　⑥围绕"低渗煤岩体液态 CO2相变射孔致裂增透技术应用研究",改进研发了"液态 CO2相变射孔煤岩体致裂技术装备",白皎煤矿现场试验表明该技术可有效提高瓦斯抽采浓度及流量9~12倍,降低试验区域瓦斯抽采流量衰减系数92%;提出了液态CO2相变射孔致裂增透网格式瓦斯抽采方法,可提高巷道掘进速度4-5倍.杉木树矿 S3012 综采工作面应用表明该技术,较常规密集钻孔方法可提高煤层瓦斯抽采效率15.71%,实现向斜轴部应力集中区松软煤层高突危险工作面回采期间的"零超限".

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.2.1 低渗煤层增透强化抽采技术国内外研究现状

1.2.2 CO2-ECBM国内外研究现状

1.2.3 液态CO2相变致裂技术国内外研究现状

1.2.4 煤岩体高压流体冲击致裂力学机理国内外研究现状

1.2.5 煤岩体卸压增渗机理国内外研究现状

1.3 本论文研究内容及其技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究技术路线

2 煤岩基本物理力学性质测试

2.1 概述

2.2 煤岩物理力学参数测试

2.2.1 样品选择与制备

2.2.2 工业分析

2.2.3 SEM微观形态及EDS成分分析

2.2.4 压汞试验

2.2.5 煤岩CH4及CO2等温吸附试验

2.2.6 基本力学性质测试

2.3煤岩赋存原岩应力测试

2.3.1 地应力在液态CO2相变射孔致裂增透过程中的作用

2.3.2 声发射Kaiser效应法原岩应力测试方法研究

2.3.3 钻孔套心应力解除法地应力测试

2.4小结

3 液态CO2相变射孔气体冲击动力特征理论及实验研究

3.1概述

3.2 CO2基本性质及其状态方程研究

3.2.1二氧化碳基本性质

3.2.2二氧化碳状态方程

3.2.3 二氧化碳相变射孔致裂过程相态分布特征

3.3 CO2射流流体动力学基本方程

3.3.1连续性方程

3.3.2运动方程

3.3.3能量方程

3.3.4动量方程

3.3.5湍流模型

3.4 液态CO2相变射孔流体动力特征理论研究

3.4.1 高压气体冲击射流声速及马赫数

3.4.2 液态CO2相变高压气体冲击射流出口速度及质量流量理论模型

3.4.3 定量液态CO2相变高压气体冲击射流出口压力理论模型

3.4.4 液态CO2相变高压气体冲击射流形态分区结构特征

3.4.5高压CO2气体冲击射流速度分布特征

3.4.6 高压CO2气体冲击射流动压分布特征

3.4.7高压CO2气体冲击射流打击力理论模型

3.5液态CO2相变射孔煤岩体致裂实验装置研发

3.5.1系统主要结构组成

3.5.2主要技术参数

3.5.3 系统主要功能及特点

3.6液态CO2相变高压气体射流冲击动力特征实验研究

3.6.1实验方案

3.6.2 液态CO2相变高压气体射流形态特征实验研究

3.6.3 液态CO2相变高压气体射流速度与压力规律研究

3.6.4高压CO2气体射流打击力随系统初始压力变化规律研究

3.6.5高压CO2气体射流打击力随靶体距离变化规律研究

3.6.6高压CO2气体射流打击力随打击角度变化规律研究

3.7小结

4 液态CO2相变射孔冲击致裂裂隙扩展机理及数值模拟研究

4.1概述

4.2液态CO2相变射孔冲击煤岩体起裂压力、起裂模型

4.2.1地应力条件下倾斜钻孔孔壁应力分布

4.2.2地应力条件下倾斜钻孔孔壁煤岩本体起裂模型

4.2.3倾斜钻孔沿天然裂隙剪切破坏起裂压力及起裂模型研究

4.2.4倾斜钻孔沿天然裂隙张性破坏起裂压力及起裂模型研究

4.3 地应力条件下倾斜钻孔优势致裂方向判断方法研究及应用

4.3.1地应力条件下倾斜钻孔优势致裂方向判断方法

4.3.2白皎煤矿液态CO2相变射孔优势方向确定

4.4液态CO2相变高速气体冲击煤岩体起裂破坏力学机理研究

4.4.1二氧化碳相变高速气体冲击煤岩体应力分布理论研究

4.4.2二氧化碳相变高速气体冲击煤岩体破坏半径理论研究

4.5煤岩体液态CO2相变射孔致裂裂隙扩展及转向力学机理研究

4.5.1含瓦斯煤岩体液态二氧化碳相变射孔致裂裂隙扩展规律研究

4.5.2液态CO2相变射孔煤岩体裂隙断裂准则

4.5.3煤体液态二氧化碳相变射孔致裂裂隙转向机理研究

4.6煤体液态二氧化碳相变射孔致裂及裂隙扩展规律模拟研究

4.6.1数值模拟软件及原理介绍

4.6.2模型建立及研究方案

4.6.3不同地应力条件下液态CO2相变射孔煤岩体致裂裂隙分布研究

4.6.4不同射流压力条件下液态CO2相变射孔致裂裂隙分布特征研究

4.6.5液态CO2相变射孔致裂裂隙扩展基本形态规律研究

4.7小结

5 液态CO2相变射孔冲击致裂裂隙扩展规律实验研究

5.1概述

5.2煤岩体液态CO2相变射孔冲击破坏宏微观特征实验研究

5.2.1实验方案

5.2.2实验结果分析

5.2.3实验结论

5.3三轴应力条件下液态CO2相变射孔致裂及裂隙扩展规律研究

5.3.1类煤岩材料试件制备

5.3.2实验方案及实验流程

5.3.3不同初始压力条件下液态CO2相变射孔致裂裂隙扩展规律研究

5.3.4不同主应力比条件下液态CO2相变射孔致裂裂隙扩展规律研究

5.3.5不同力学强度试件液态CO2相变射孔致裂裂隙扩展规律研究

5.3.6含层理煤岩体液态CO2相变射孔致裂裂隙扩展规律

5.3.7含裂隙煤岩体液态CO2相变射孔致裂裂隙扩展规律

5.3.8实验结论

5.4小结

6 低透煤层液态CO2相变射孔致裂卸压增渗机理研究

6.1概述

6.2煤岩体液态CO2相变射孔致裂增透作用机制分析

6.3含瓦斯煤岩体卸压增渗实验及理论研究

6.3.1含瓦斯煤岩体卸压增渗实验条件及方法

6.3.2试验结果与分析

6.3.3基于立方体结构的煤岩体卸压损伤渗透率模型研究

6.3.4模型验证

6.4穿层钻孔液态CO2相变致裂抽采煤层瓦斯压降规律研究

6.4.1穿层钻孔抽采过程煤层瓦斯压力分布模型建立

6.4.2瓦斯抽采压降漏斗形态及其时效特征研究

6.4.3瓦斯抽采压降漏斗随煤层物性参数变化规律研究

6.5小结

7 低渗煤岩体液态CO2相变射孔致裂增透技术应用研究

7.1概述

7.2液态二氧化碳相变射孔煤岩致裂技术装置研发

7.2.1技术原理

7.2.2系统主要结构

7.2.3系统主要技术参数

7.2.4系统的主要功能及优点

7.3 液态CO2相变射孔致裂增透网格式ECBM方法研究及应用

7.3.1白皎煤矿试验地点概况

7.3.2现场试验及施工步骤

7.3.3现场试验结果分析

7.3.4液态CO2相变射孔致裂网格式抽采方法应用及效果评价

7.4松软煤层顺层钻孔液态CO2相变射孔致裂增透技术应用

7.4.1杉木树煤矿应用地点概况

7.4.2 松软煤层顺层钻孔液态CO2相变射孔致裂增透试验研究

7.4.3松软煤层顺层钻孔液态CO2相变射孔致裂增透防突效果研究

7.5小结

8 结论与展望

8.1 本文的研究成果及结论

8.2 主要创新点

8.3 后续研究工作及展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文

B. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目

C. 作者在攻读博士学位期间申请的专利

D. 作者在攻读博士学位期间所获科技成果奖励及荣誉

E. 学位论文数据集

致谢