压裂钻孔孔壁破坏行为与注水流量相关性试验研究

为分析流量对水力压裂钻孔起裂特征的影响,开展了不同注水流量水力压裂实验,得到了煤体起裂过程的孔壁压缩应变-水压曲线。结果表明,流量的增大使破裂形态趋于复杂,表现在裂缝的数目及宽度会变多增大,而原煤则更易于沟通原生裂隙;对于无明显节理的配比型煤,随着注水流量增大,孔壁应变速率和起裂压力均增高;对于含明显节理的原煤,孔壁应变速率及起裂压力变化具有一致性,但与流量变化不一致,原煤内部的节理会影响试块起裂行为,降低钻孔内能量积聚速率和煤体破裂强度。研究成果对于揭示钻孔起裂行为具有重要理论意义,为水力压裂实验研究提供了一种新思路。     

高瓦斯低透气性煤层水力压裂技术的试验研究

由于某矿煤层透气性低、瓦斯含量高,现有瓦斯抽采技术不能满足瓦斯抽采的需要,因而采用了水力压裂技术增透措施进行试验。通过该矿11-2煤层的工业试验,分析了水力压裂技术的参数选择、压裂范围、煤层透气性、压裂后抽采效果等。试验研究得出,经过水力压裂,煤层的透气性提高了2246倍,煤层瓦斯抽采效率也大幅提高     

水力压裂有效压裂半径的影响因素研究*

为改善水力压裂增透效果,提高煤层瓦斯抽采效率,减少矿井瓦斯灾害,明确不同因素对水力压裂有效压裂半径的影响,基于Mohr-Coulomb准则建立水力压裂渗流—损伤耦合方程,并且求得水力压裂破裂区半径运算公式;运用ABAQUS软件模拟并分析地应力σ、注水水压P、压裂孔径d及弹性模量E对水力压裂有效压裂半径L的影响;并通过灰色关联分析方法确定水力压裂有效压裂半径的主控因素。研究结果表明:水力压裂有效压裂半径与注水水压、压裂孔径及弹性模量呈递增关系,与煤层地应力呈递减关系;水力压裂有效压裂半径受煤层地应力的影响最大,注水水压次之,受压裂孔径和弹性模量的影响相对较弱。     

穿层钻孔煤巷条带水力压裂增透防突技术试验研究

针对突出煤层巷道掘进中瓦斯治理难题,打通一矿采用了穿层钻孔水力压裂增透防突技术。基于弹性理论和拉应力破坏准则,建立了穿层钻孔煤巷条带水力压裂起裂压力计算模型;在W2706S回风巷的底板瓦斯抽采巷中进行了压裂试验,考察了压裂前后瓦斯抽采效果。现场试验结果表明,压裂后掘进巷道瓦斯抽采量呈现先快速增加、后缓慢上升并保持稳定的变化规律;压裂后穿层钻孔单孔瓦斯抽采量、瓦斯抽采浓度分别是压裂前的1.24～5.61,1.4～2.27倍,W2706S回风巷平均每月的掘进速度增加了34.1%;掘进期间未出现超标现象,穿层钻孔煤巷条带水力压裂增透消突效果显著。     

钻孔间距对水力压裂促抽煤层瓦斯的影响

针对定量确定合理钻孔间距困难问题,基于损伤力学和多场耦合理论,建立了水力压裂和瓦斯抽采的煤层流固耦合模型,包括和水运移场、应力场以及孔隙度、渗透率演化方程,并采用Comsol联合Matlab求解,研究了不同钻孔间距时压裂和抽采过程中煤层弹模、损伤值、渗透率、瓦斯压力、抽采量和压裂贯通时间的变化规律。结果表明:耦合模型可较准确地模拟煤层水力压裂和瓦斯抽采过程;压裂贯通时间与钻孔间距呈指数增长关系;在马堡煤矿,当钻孔间距为4~8 m时,压裂损伤区在抽采孔贯通,渗透率呈“n”型曲线,瓦斯抽采后,瓦斯压力迅速下降,抽采有效区随间距的增加而增大;当钻孔间距为9~12 m时,压裂损伤区未贯通,煤层渗透率呈“m”型曲线,抽采有效区随间距的增加而减小,与间距4~8 m相比,瓦斯抽采量较小。     

水力压裂技术在极薄煤层中的应用研究

本文针对磨心坡煤矿地质构造复杂、瓦斯压力大、煤层厚度较薄、透气性系数低、抽采难度大等问题,对该矿极薄煤层进行顺层钻孔的水力压裂试验研究,分析探讨了极薄煤层水力压裂半径的确定问题,然后进行了水力压裂试验,通过现场应用分析发现压裂区域比非压裂区域瓦斯纯量提高4倍以上,抽采效果良好;同时对于水力压裂过程中的各种现象和规律进行分析研究,为极薄煤层瓦斯抽采提供技术参考。     

多点控制水力压裂增透快速消突技术研究及应用

针对单一、低透气性突出煤层消突困难、煤巷掘进速度低的问题,提出了多点控制水力压裂快速消突方法.以鹤壁六矿为试验矿井,通过理论分析多点控制水力压裂煤层破裂过程,结合适用于鹤壁六矿瓦斯地质条件的RFPA2D-Integrated软件进行水力压裂数值模拟,研究了多点控制水力压裂增透快速消突机理,确定了适合六矿2123回风巷的压裂设备型号及压裂工艺参数.结果表明,多点控制水力压裂效果要优于常规水力压裂,试验工作面实施控制压裂措施后,瓦斯抽采浓度、瓦斯流量和掘进速度均有大幅提高,达到了快速消突的目的.     

井下穿层长钻孔水力压裂强化增透技术

为了提高井下低透气性煤层瓦斯抽采效果,提出井下穿层长钻孔水力压裂强化增透技术。根据水力压裂施工工艺和关键技术,将水力压裂过程分为准备阶段、高压注水阶段和保压阶段,重点阐述了封孔、试压、注水压裂、数据监测、保压、排水等关键技术。同时分析了长钻孔水力压裂增透机理,并进行了水力压裂强化增透试验。根据压裂过程中压裂参数变化规律,从煤储层参数和钻孔瓦斯抽采参数方面综合考察了试验效果。结果表明:压裂后煤层透气性系数提高了2.67倍,最大影响半径达到了58 m,抽采流量和抽采体积分数分别是普通压裂钻孔的24.4倍和10.27倍,最大压裂影响半径提高了2.32倍。     

穿层钻孔水力压裂强化抽采瓦斯消突技术应用研究

高瓦斯突出煤层预抽瓦斯消突是突出矿井煤巷掘进前的主要技术措施.由于我国煤矿煤层透气性低,原始煤层预抽瓦斯效果差,抽放时间长.为提高低透气性高瓦斯突出煤层的抽采瓦斯消突效果,在潘三煤矿1271(3)运顺进行了底板穿层钻孔水力压裂强化抽采瓦斯消突试验.介绍了穿层钻孔水力压裂抽采钻孔的布孔设计、压裂工艺及压裂增透抽采瓦斯消突效果.结果表明,水力压裂技术有效扩大了钻孔抽采瓦斯半径,提高了抽采瓦斯消突效果,解决了高突煤层煤巷掘进的突出威胁,提高了煤巷掘进速度.     

高瓦斯低透气性煤层水力压裂数值模拟研究

针对高瓦斯低透气性煤层,采用RFPA2D-Flow软件,对水力压裂进行了数值模拟研究,再现了水力压裂过程中压裂孔周围裂纹的生成和扩展、渗透性和应力的变化。模拟结果表明：压裂过程中,裂纹规模和剪应力随着注水压力的不断增加而增大,并且剪应力的增加随着钻孔周围裂纹的扩展不断远离压裂孔,压裂孔周围的渗透性有了很大程度的提高,最大主应力和最小主应力随着注水压力的增加而减小。水力压裂的模拟结果对煤矿高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽采工作具有很重要的指导意义。     

水利工程施工安全标准化体系评价

为实现水利工程施工安全标准化体系的系统性分析与评价,根据水利工程施工安全标准化特点,借鉴软件能力成熟度评估框架,提出水利工程施工安全标准化体系成熟度评价方法。首先,进行安全标准化体系建设成熟度分级,提炼各级别的关键特征;其次,依据《水利安全生产标准化评审管理暂行办法》,建立安全标准化评价指标体系,确定评价标准;然后,以问卷调查结果为基础,采用分级加权法,量化评估安全标准化体系成熟度等级,通过构造成熟度蛛网模型图,分析影响安全标准化体系成熟度水平的主要因素。最后,通过一个案例验证了模型方法的可行性与有效性,为安全标准化体系建设提供一条分级提升的路径。     

水分润湿过程中煤中瓦斯解吸规律试验

为了深入探讨水分对煤中瓦斯解吸特性的影响,采用试验和理论分析相结合的方法,按照原煤的固有粒度配比加工制作型煤,充分干燥后使其吸附平衡以模拟原始煤体,然后利用自制的试验装置实现水分自然进入含瓦斯煤,再测试水分润湿含瓦斯煤过程中样品缸内的瓦斯压力变化情况。结果表明:水分润湿含瓦斯煤过程中样品缸内瓦斯压力不断升高,水分能置换出煤中吸附瓦斯;相同吸附平衡压力下,煤样含水率越高,水分占据的有效吸附位越多,累计瓦斯解吸量越大,当煤样含水率达到煤的极限吸水率时,累计瓦斯解吸量达到极限值;同一含水率条件下,随吸附平衡压力增长,煤样吸附饱和度逐渐增加,水分越难进入煤体内部细微孔隙,造成累计瓦斯解吸量逐渐增加,但增幅逐渐减小,随吸附平衡压力不断升高,极限瓦斯解吸量趋于一定值。     

船舶载运煤炭甲烷释放特性研究

为了研究船舶载运煤炭甲烷释放规律,基于Fick扩散定律建立了货舱甲烷体积分数计算模型,分析了不同扩散系数条件下甲烷释放量与时间的关系,确定了空隙系数的取值范围,通过对某船舶煤炭运输过程中甲烷体积分数随船实测对模型进行了验证.结果表明,货舱甲烷体积分数随运输时间增加而增加,扩散系数为1.0×10-8 cm2/s时,甲烷释放量达到极大值;煤炭的空隙系数基本在0.53～ 0.57 m3/t之间.当煤炭极限甲烷解吸量为1.6 ～ 3.83 m3/t时,货舱甲烷最高体积分数在0.53％ ～ 1.22％,5个货舱中4个货舱的甲烷释放量与理论计算相吻合,1个货舱的最大甲烷释放量高出理论计算量6％,船运煤炭过程中的甲烷释放计算模型与实测结果较为吻合.对于甲烷体积分数超限的货舱,及时通风可使甲烷体积分数迅速降低,有效地解决船运煤炭过程中甲烷体积分数超限的问题.     

土工格栅拉拔试验模型优化及加筋特性研究

目前土工格栅加筋提高工程的安全性广受关注,为研究土工格栅摩擦系数、网孔尺寸对其加筋特性的影响,采用PFC3D建立土工格栅拉伸试验模型和拉拔试验模型,并对2种试验模型进行优化。将土工格栅拉伸应力-应变关系按其应变量分段,开发了记录试验过程中土工格栅的应变并根据该应变与分段界限应变间大小关系来改变格栅的法向、切向黏结刚度的FISH程序。在保持土工格栅试样尺寸及各参数不变的条件下,分别开展不同格栅摩擦系数和不同网孔尺寸的数值拉拔试验。结果表明:按土工格栅应变量对其拉伸特性进行分阶段模拟的方法可使模拟结果更加准确;优化后的土工格栅拉拔试验模型计算结果与室内试验结果更加吻合;土工格栅的摩擦系数及网孔尺寸对加筋特性的影响明显,孔径比为5. 0左右时的加筋效果最佳。建议在选用加筋材料时应考虑土工格栅摩擦系数和网孔尺寸与填料粒径之间的匹配关系。     

非均质煤样细观力学特性的双轴压缩数值模拟

煤的微观结构特征对煤的力学特性起着重要作用。为了更加真实准确地研究非均质煤样的细观力学特性,首先通过扫描电镜(SEM)获取煤样放大8 000倍的微观结构图像;然后采用数字图像处理技术对SEM图像进行处理,构建能反映煤样较为真实结构特征的CAD矢量结构模型,并将其导入颗粒流离散元软件(PFC)建立符合煤样结构特征的数值模型;最后开展了煤样细观力学特性的双轴压缩颗粒流数值模拟。结果表明:煤作为一种混合物,它所包含的矿物质和微孔裂隙对其力学性能有重要作用;应力应变曲线有明显的峰值转折点,可以分为弹性阶段、应变软化阶段和残余阶段;煤样在双轴压缩条件下产生的宏观裂纹主要受拉伸力影响,其破裂形态不规则;在应力峰值位置附近,裂纹的增长速率最快,此时的颗粒体间平均接触力也最大,能够达到3.25×10⁸N;另外随围压和加载速率增大,应力-应变曲线形式基本保持不变,但轴向应力峰值及裂纹数逐渐增加;应力峰值对应的轴向应变与围压无确定的规律,而与加载速率呈正比关系。     

深部孤岛工作面区段煤柱冲击地压的试验研究

以冲击启动理论为基础,结合覆岩空间结构思想,采用相似模拟试验方法,研究了孤岛工作面上覆岩层空间结构特点及采动围岩应力场的分布、变化规律,进一步探讨了孤岛工作面区段煤柱冲击地压发生机理。结果表明,两侧充分开采的孤岛工作面上覆岩层呈"C"型覆岩空间结构,工作面承受上部岩层及两侧采空区上覆岩层转移过来的部分岩层重量,在工作面两侧形成应力集中区域,导致采动围岩应力场达到极限平衡状态,该集中应力可视为采动围岩近场极限平衡系统的静载荷。孤岛工作面开采过程中"C"型覆岩空间结构逐渐演化形成"W"型空间结构,极限平衡系统静载荷发生转移和改变,最终由上下区段煤柱全部承担上覆岩层重量,系统载荷增至最大,处于临界失稳状态。"W"型覆岩空间结构大面积失稳,为系统提供了外动载荷,系统在动载荷的扰动下突破平衡极限,从而发生区段煤柱冲击。最后,基于孤岛工作面应力分布规律确定了区段煤柱的合理尺寸。     

公路隧道内纵向通风对火灾参数影响的试验研究

公路隧道发生火灾时易造成严重后果,纵向通风作为火场排烟降温的常用措施会改变燃烧的火源功率及相关火灾参数,影响公路隧道通风排烟的设计。利用按照弗洛德相似性原理自行设计建造的公路隧道火灾烟气输运特性研究试验台,研究了不同纵向通风风速下燃料火源功率、火焰形状和烟气层高度、距火源2 m人眼高度处一氧化碳体积分数、隧道横截面竖向温度及隧道纵向人眼高度处温度的变化规律。结果表明,所研究的火灾参数与纵向通风之间呈现非线性变化关系,火源功率在纵向通风作用下出现"双驼峰"现象,随风速增大,火源功率、火焰主体长度与亮度的变化规律相似,平均燃烧速度与一氧化碳体积分数、温度变化规律一致。