脉动载荷下煤体裂隙演化规律及其在瓦斯抽采中的应用研究

发布时间：2016-12-17 16:41

  本文关键词：脉动载荷下煤体裂隙演化规律及其在瓦斯抽采中的应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

《中国矿业大学》 2015年

脉动载荷下煤体裂隙演化规律及其在瓦斯抽采中的应用研究

李全贵  

【摘要】：煤矿瓦斯(煤层气)是优质清洁能源,加速发展煤矿瓦斯抽采产业发展具有保障国家能源安全、优化能源结构、降低煤矿瓦斯事故、实现国家温室气体减排等重要意义。目前,我国煤矿井下瓦斯以钻孔抽采为主,由于高瓦斯低透气性煤层具有煤层赋存复杂多变、微孔隙、低渗透、瓦斯高吸附等特征,瓦斯抽采难度大,常规卸压增透技术效果不明显,严重制约着矿井安全生产和资源利用。脉动水力压裂技术的出现为矿井瓦斯高效抽采提供了一条新的途径。然而,脉动水力压裂作用下煤体裂隙演化规律的基础研究明显滞后于工程应用,亟待进一步研究和完善。本文以脉动水力压裂技术的工程应用为背景,采用理论分析、物理实验、数值模拟等方法,开展脉动载荷下裂隙演化机制、脉动频率和脉动压力控制下裂隙演化规律等研究,取得的主要研究成果如下:(1)揭示了脉动载荷下煤体破裂及裂隙演化机制。脉动载荷作用下,试件被“层层剥落”,裂隙经历了闭合-线性变形-稳定扩展的非线性变形-加速扩展至试件破裂,扩展速度远小于静压载荷。试件出现塑性应变,力学强度降低,微小裂隙得到充分扩展和沟通,细观裂隙参与破裂过程,形成多个破裂面,试件内部形成较好的裂隙网络。脉动载荷的峰值载荷为静压载荷的85%。(2)研制了脉动变频加载及煤体致裂实验系统。主要包括脉动压力发生及变频系统、真三轴加载系统、压力及流量控制系统、监测系统4个子系统,具有脉动频率无极调速、大尺寸试件真三轴应力加载、裂隙演化过程可控及参数可测等功能,可开展不同地应力、加载方式、脉动参数等条件下煤体裂隙演化实验,为脉动水力压裂的实验室研究奠定了基础。(3)探索了脉动频率在煤体裂隙演化中的作用机制。理论分析了脉动载荷下煤岩体的疲劳损伤机理,开展了固定频率和变频的脉动水力压裂物理实验,结果表明,低频时,试件被“软化”,起裂压力和裂隙扩展速率降低,微小裂隙得到发育和扩展,裂隙破裂面复杂;高频时,压力幅值大,起裂压力和裂隙扩展速率升高,裂隙形态单一。根据研究成果,提出了变频脉动加载方式,提高裂隙演化效果。(4)探索了脉动压力控制下煤体裂隙演化机制。理论分析了脉动载荷作用下裂隙起裂及延伸规律,认为,在动态的脉动载荷作用下,裂隙起裂和延伸随机性增强,裂隙演化更加复杂。数值模拟验证了以上结论,发现,相对于静压载荷,脉动载荷作用下裂隙数量增加了20%以上,起裂压力降低了85%以上;脉动压力幅值对裂隙数量、起裂压力等有一定的影响。物理实验进一步表明,降低裂隙脉动压力幅值能够提高微小裂隙的起裂、扩展。根据研究成果,提出了基于脉动压力控制的裂隙演化控制方式,促进裂隙网络的形成。基于以上研究成果,建立了以促进煤体裂隙网络形成为目标的脉动水力压裂技术体系,工业性试验表明,脉动水力压裂技术实施后,瓦斯抽采浓度提高了2.22倍以上,瓦斯抽采流量提高了2.63倍以上,钻孔施工量减少了58%,工作面瓦斯解吸指标K1降至临界值以下,保证了巷道安全掘进。上述研究成果对完善脉动水力压裂煤体致裂机理、优化脉动水力压裂技术参数、提高脉动水力压裂增透增产效果等方面具有重要的理论和现实意义。

【关键词】：
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712.6
【目录】：

下载全文 更多同类文献

CAJ全文下载

(如何获取全文？ 欢迎：购买知网充值卡、在线充值、在线咨询)

CAJViewer阅读器支持CAJ、PDF文件格式

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 肖长富,周时光,阳友奎,邱贤德,吴刚;岩盐水力压裂的实验研究[J];重庆大学学报(自然科学版);1992年01期

2 艾婷;张茹;刘建锋;赵小平;任利;;三轴压缩煤岩破裂过程中声发射时空演化规律[J];煤炭学报;2011年12期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 左宇军;动静组合加载下的岩石破坏特性研究[D];中南大学;2005年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 肖建清;混凝土准动态力学性能的实验研究与数值模拟[D];中南大学;2005年

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 左宇军;杨菊英;;动静载荷耦合作用下岩石破坏过程研究现状[J];大连大学学报;2007年06期

2 肖长富,阳友奎,吴刚,邱贤德,周时光;岩盐水力压裂的破裂判据[J];重庆大学学报(自然科学版);1992年06期

3 倪红梅;黄彦华;刘相如;;断续双裂隙红砂岩加载速率效应颗粒流分析[J];地下空间与工程学报;2014年05期

4 蔡益栋;刘大锰;姚艳斌;李俊乾;邱勇凯;张百忍;;三轴应力下饱和水煤岩破裂的声发射特征[J];地学前缘;2015年03期

5 宫凤强;李夕兵;叶洲元;;三轴SHPB岩石材料动力学特性试验研究的现状和发展趋势[J];科技导报;2009年18期

6 许江;周文杰;刘东;李树春;谭皓月;;采动影响下突出煤体温度与声发射特性[J];煤炭学报;2013年02期

7 纪洪广;穆楠楠;张月征;;冲击地压事件AE与压力耦合前兆特征分析[J];煤炭学报;2013年S1期

8 苏承东;郭保华;唐旭;;漳村煤矿两种尺度煤样单轴压缩声发射特征的试验研究[J];煤炭学报;2013年S1期

9 刘星光;高峰;张志镇;邢燕;李玺茹;;含瓦斯煤破裂过程声发射时空演化规律[J];科技导报;2013年15期

10 张泽天;刘建锋;王璐;杨昊天;张茹;;煤的直接拉伸力学特性及声发射特征试验研究[J];煤炭学报;2013年06期

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 戚增坤;突变控制机制及其在船舶非线性横摇运动中的应用研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

2 闫长斌;爆破作用下岩体累积损伤效应及其稳定性研究[D];中南大学;2006年

3 任红;贯通式潜孔锤反循环连续取心钻进取心机理研究[D];吉林大学;2008年

4 肖建清;循环荷载作用下岩石疲劳特性的理论与实验研究[D];中南大学;2009年

5 柴文革;围压卸载条件下花岗岩损伤演化与破坏试验研究[D];中国矿业大学（北京）;2009年

6 李地元;高应力硬岩胞性板裂破坏和应变型岩爆机理研究[D];中南大学;2010年

7 武晋文;固—热耦合作用下岩体破裂及声发射特征试验研究[D];太原理工大学;2012年

8 张志镇;岩石形破坏过程中的能量演化机制姓[D];中国矿业大学;2013年

9 刘再斌;岩体渗流—应力耦合作用及煤层底板突水效应研究[D];煤炭科学研究总院;2014年

10 李玉伟;割理煤岩力学特性与压裂起裂机理研究[D];东北石油大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

1 王建国;布沼坝西帮爆破荷载作用下的稳定性数值模拟研究[D];昆明理工大学;2011年

2 胡海涛;基于大流量磨料水铣效应的混凝土水铣工程车的基础研究[D];重庆交通大学;2013年

3 刘伟男;钢管混凝土抗压疲劳特性研究[D];兰州交通大学;2014年

【二级参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 马永其,陈罕,李斯特;采用面向对象方法的有限元程序[J];北京化工大学学报(自然科学版);2000年03期

2 樊世清,谢里阳;金属疲劳断裂过程中的尖点突变模型[J];北京科技大学学报;1997年S1期

3 章根德;岩石对冲击载荷的动态响应[J];爆炸与冲击;1982年02期

4 朱瑞赓 ,吴绵拔;不同加载速率条件下花岗岩的破坏判据[J];爆炸与冲击;1984年01期

5 楼沩涛;花岗岩体中应力波传播计算的动态本构关系[J];爆炸与冲击;1989年03期

6 王德禹,张善元,杨桂通;静力预加载结构冲击屈曲的突变模型[J];爆炸与冲击;1993年03期

7 杨小林,王树仁;岩石爆破损伤断裂的细观机理[J];爆炸与冲击;2000年03期

8 崔新壮,李卫民,段祝平,陈士海;爆炸应力波在各向同性损伤岩石中的衰减规律研究[J];爆炸与冲击;2001年01期

9 胡时胜,王道荣;冲击载荷下混凝土材料的动态本构关系[J];爆炸与冲击;2002年03期

10 李夕兵，古德生;岩石在不同加载波条件下能量耗散的理论探讨[J];爆炸与冲击;1994年02期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 马春德;一维动静组合加载下岩石力学特性的试验研究[D];中南大学;2004年

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;数值模拟水力压裂裂隙的扩展和增大[J];煤矿安全;2008年06期

2 连志龙;张劲;王秀喜;吴恒安;薛炳;;水力压裂扩展特性的数值模拟研究[J];岩土力学;2009年01期

3 李洋;;水力压裂开采页岩气对环境有害[J];国外油田工程;2010年09期

4 杨维;白治平;王春孝;;子长采油厂水力压裂与产量关系评价[J];硅谷;2010年19期

5 赵宝滔;牛晓东;孟凡册;;水力压裂施工方案研究[J];科技资讯;2012年15期

6 杨景宁;;美国国会简报关注水力压裂引发的环境和地震问题[J];国际地震动态;2013年04期

7 洪世铎;水力压裂理论[J];石油钻采工艺;1980年01期

8 刘蜀知,任书泉;水力压裂裂缝三维延伸数学模型的建立与求解[J];西南石油学院学报;1993年S1期

9 ;水力压裂法[J];环境与生活;2012年05期

10 乔继彤,张若京,姚飞,蒋阗;水力压裂的二维温度场分析[J];同济大学学报(自然科学版);2000年04期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 张若京;;地下能源开发的重要技术——水力压裂[A];力学与西部开发会议论文集[C];2001年

2 刘建军;杜广林;薛强;;水力压裂的连续损伤模型初探[A];第十二届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2004年

3 李连崇;梁正召;李根;马天辉;;水力压裂裂缝穿层及扭转扩展的三维模拟分析[A];第十一次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2010年

4 李传华;陈勉;金衍;;层状介质水力压裂模拟实验研究[A];岩石力学新进展与西部开发中的岩土工程问题——中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集[C];2002年

5 刘闯;刘合;李向阳;吴恒安;;页岩气水平井水力压裂多缝间距优化研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

6 杨丽芳;张陈芳;阳国桂;王路伟;;油田水力压裂过程中示踪砂用量计算[A];第三届全国核技术与应用学术研讨会会议资料文集[C];2012年

7 李家祥;张文泉;;井下水力压裂应力测量[A];首届全国青年岩石力学学术研讨会论文集[C];1991年

8 朱礼军;陈勉;金衍;;松软地层水力压裂缝宽预测[A];新世纪岩石力学与工程的开拓和发展——中国岩石力学与工程学会第六次学术大会论文集[C];2000年

9 阳国桂;李锦富;;同位素水力压裂示踪用示踪剂的研制[A];第三届全国核技术与应用学术研讨会会议资料文集[C];2012年

10 鄢旭彬;饶少莹;任海龙;王军红;;水力压裂工艺技术的应用[A];油气藏改造压裂酸化技术研讨会会刊[C];2014年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 史蒂芬·科恩 编译 王林;[N];中国能源报;2012年

2 卢克·亨特 王林 编译;[N];中国能源报;2013年

3 苏珊·布兰特利 安娜·美耶徳夫 刘洋 编译;[N];中国能源报;2013年

4 武晓昆 译 美国《基督教科学箴言报》;[N];中国石化报;2013年

5 王林;[N];中国能源报;2013年

6 李慧;[N];中国石化报;2014年

7 本报记者 李慧;[N];中国能源报;2014年

8 本报记者 焦旭;[N];中国能源报;2012年

9 赵琳琳;[N];中国石化报;2012年

10 赵琳琳;[N];中国石化报;2012年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 李全贵;脉动载荷下煤体裂隙演化规律及其在瓦斯抽采中的应用研究[D];中国矿业大学;2015年

2 富向;“点”式定向水力压裂机理及工程应用[D];东北大学;2013年

3 赵万春;水力压裂岩体非线性损伤演化研究[D];大庆石油学院;2009年

4 张广明;水平井水力压裂数值模拟研究[D];中国科学技术大学;2010年

5 李正军;基于最小耗能原理水力压裂裂缝启裂及扩展规律研究[D];东北石油大学;2011年

6 王瀚;水力压裂垂直裂缝形态及缝高控制数值模拟研究[D];中国科学技术大学;2013年

7 门晓溪;岩体渗流—损伤耦合及其水力压裂机理数值试验研究[D];东北大学;2015年

8 刘先灵;水力压裂实时监测及解释技术研究与应用[D];西南石油学院;2003年

9 连志龙;水力压裂扩展的流固耦合数值模拟研究[D];中国科学技术大学;2007年

10 李贤忠;高压脉动水力压裂增透机理与技术[D];中国矿业大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 黄定伟;水力压裂增透抽采技术在重庆某矿的应用研究[D];贵州大学;2015年

2 孙剑秋;水力压裂裂缝扩展规律和破裂压力的数值研究[D];大连理工大学;2015年

3 蒋旭刚;潘二矿水力压裂增透范围研究[D];河南理工大学;2011年

4 周鹏;低渗透油藏水力压裂井数值模拟方法研究与应用[D];西南石油大学;2012年

5 李勇;特低渗透油藏水力压裂中的若干计算与裂缝扩展分析[D];中国石油大学;2008年

6 傅海龙;水力压裂法处置中放废液工程技术应用与系统改进[D];清华大学;2007年

7 李玉伟;水力压裂井井眼围岩损伤力学模型[D];大庆石油学院;2010年

8 王晓锋;煤储层水力压裂裂缝展布特征数值模拟[D];中国地质大学（北京）;2011年

9 王珏;基于损伤理论的水力压裂人工裂缝应力场研究[D];东北石油大学;2012年

10 周健;水力压裂诱导钻孔孔壁应变行为演化特征试验研究[D];安徽理工大学;2015年

  本文关键词：脉动载荷下煤体裂隙演化规律及其在瓦斯抽采中的应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：217101