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.pdf

1、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)

2、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：
　?。?）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

3、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％。
　?。?）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)，

4、為脈動(dòng)水力壓裂的實(shí)驗(yàn)室研究奠定了基礎(chǔ)。
　?。?）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。
　?。?）探索了脈動(dòng)壓力控制

5、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