煤巖體水力壓裂裂縫擴(kuò)展及對(duì)瓦斯運(yùn)移影響研究.pdf

1、隨著煤礦開采深度的增加,煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性不斷增加。對(duì)于低滲透性且具有突出危險(xiǎn)的煤體,如何有效降低煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性是亟待解決的重大安全科技問題。煤巖體水力壓裂是低滲透煤體瓦斯抽采、突出煤體消突的有效技術(shù)途徑,尤其是對(duì)于單一低滲突出煤體。煤巖體水壓裂縫的擴(kuò)展及瓦斯運(yùn)移是決定煤巖體水力壓裂效果的主要因素。為此,本文以煤巖體水壓裂縫擴(kuò)展及瓦斯運(yùn)移為主要研究對(duì)象,采用理論分析、數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法,系統(tǒng)、深入地研究了煤巖體水力壓裂裂

2、縫擴(kuò)展及對(duì)瓦斯運(yùn)移影響。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　?、俳⒘嗣簬r體水力壓裂滲流—損傷耦合數(shù)學(xué)模型,該模型采用統(tǒng)計(jì)方法來表征煤巖體參數(shù)的非均勻性,涉及了滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用,內(nèi)含彈—脆性、彈性軟化和彈性弱化3種損傷本構(gòu),考慮了損傷的演化過程及其對(duì)滲透率等物理參數(shù)的影響;提出了該數(shù)學(xué)模型的耦合迭代求解算法,并利用Matlab軟件進(jìn)行有限元編程實(shí)現(xiàn)了數(shù)值求解,通過與商業(yè)軟件計(jì)算結(jié)果及理論解析解的比較,驗(yàn)證了該數(shù)學(xué)模型及其數(shù)值解法的正確性

3、;系統(tǒng)研究了煤巖體的非均勻性、初始地應(yīng)力場(chǎng)和鉆孔孔徑對(duì)水壓裂縫起裂、擴(kuò)展的影響,研究了預(yù)先水力割縫導(dǎo)向壓裂法和多孔控制壓裂法的水壓裂縫控制機(jī)制及影響因素,研究結(jié)果為現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)及控制壓裂提供了理論依據(jù)。
　?、趶乃毫羊?qū)趕瓦斯效應(yīng)、改變瓦斯流態(tài)和影響瓦斯吸附解吸特性三方面研究了煤巖體水力壓裂對(duì)瓦斯運(yùn)移的影響。提出了煤巖體水力壓裂與瓦斯抽采統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型,并應(yīng)用于壓裂后的瓦斯抽采數(shù)值模擬,研究壓裂后的瓦斯運(yùn)移規(guī)律;數(shù)值計(jì)算結(jié)

4、果表明,損傷單元的煤體瓦斯壓力降低明顯,說明水壓裂縫處的煤體透氣性得到改善,形成了新的“更寬闊、通暢”的瓦斯運(yùn)移通道,顯著提高了瓦斯抽采效果。研究結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓裂鉆孔和瓦斯抽采鉆孔布置優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。
　　③基于煤巖體變形模型、水壓裂縫面內(nèi)流體壓降模型和水壓裂縫擴(kuò)展模型,建立了低滲透煤巖體水力壓裂單一裂縫擴(kuò)展數(shù)學(xué)模型,提出了該數(shù)學(xué)模型的數(shù)值求解算法,并利用 APDL二次開發(fā)語言實(shí)現(xiàn)了數(shù)值求解。確定了注入壓力、煤巖體彈性模量、初始地

5、應(yīng)力場(chǎng)以及壓裂液黏度對(duì)水力壓裂單一裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律。研究結(jié)果為現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂施工作業(yè)參數(shù)選擇提供理論指導(dǎo)。
　?、芑诿后w注水難易程度的6個(gè)判別指標(biāo),構(gòu)建了煤巖體水力壓裂后注水難易程度的Fisher判別模型和可拓判別模型。工程實(shí)例判別結(jié)果表明,2種方法的判別結(jié)果與工程勘察分類、模糊聚類法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的結(jié)果一致或更好,實(shí)現(xiàn)了壓裂后煤體注水難易程度的科學(xué)評(píng)價(jià)和分類,為水力壓裂后進(jìn)一步采取靜壓注水措施的可行性判斷提供了參考依據(jù)。

6、　　⑤基于水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律及其對(duì)瓦斯的運(yùn)移影響理論研究,并兼顧考慮煤礦井下施工條件和瓦斯抽采等制約因素,提出了煤巖體水力壓裂技術(shù),該技術(shù)集煤巖體增透、瓦斯驅(qū)趕、抽采與注水濕潤(rùn)于一體。煤巖體水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,水壓裂縫的擴(kuò)展經(jīng)歷了“閉合—張開—產(chǎn)生新裂縫”的過程,隨著壓裂孔與水壓裂縫前沿距離的增大,水壓力沿程衰減,水壓裂縫擴(kuò)展所需的水壓不斷增大;壓裂后的考察鉆孔和壓裂鉆孔中的瓦斯?jié)舛仍黾?驗(yàn)證了水力壓裂的驅(qū)趕瓦斯效應(yīng)?，F(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽