多煤层联合水压裂缝扩展规律应用研究

为进一步研究多煤层联合水压裂缝扩展规律,采用物理相似模拟实验和工程试验相结合的方法,进行地应力作用下2个煤层联合压裂的试验研究.结果表明:1)模拟煤层与煤岩体水力压裂具有相似的特性,水压裂缝为垂直缝,裂缝沿垂直于最小水平主应力方向扩展,沿平行于最大主应力方向延伸;2)在2个煤层的联合压裂过程中,水压裂缝可以在2个煤层中扩展延伸;3)多煤层的石门揭煤实施联合水力压裂后,相比未进行水力压裂的石门揭煤,其平均瓦斯抽采体积分数提高了83％,平均瓦斯抽采纯量提高1.4倍,瓦斯平均单孔抽采纯量提高约1倍,压裂后的石门揭煤时间比未压裂的揭煤时间缩短了43 d,实现了石门的快速揭煤.     

地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气探讨

为了提高深部煤层气储层压降效果,针对深部煤层储层压力大,地应力高,渗透率低等特点,基于切割卸压提高储层渗透率原理,综合矿井下瓦斯抽采实践及地面开发非常规天然气技术方式,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气的方法。地面定向井+水力割缝卸压方法主要包括地面定向钻井和分段水力割缝2个过程。该方法增渗增产原理为:定向井眼和水力缝槽沟通天然裂缝系统,高压水力切割过程中诱导煤层产生裂隙,增加导流通道数量与连通性;水力切割产生的多组缝槽形成卸压空间,利用地应力变化增加裂隙张开度,促进储层压力释放。相比常规水力压裂而言,该方法更有利于形成网格化流体运移通道,扩大煤层卸压范围和卸压程度,强化煤层气解吸扩散。而且,能够避免水力压裂过程中地应力向煤层深部传递以及压裂液注入造成的储层伤害,因而适用深部煤层气储层复杂地质条件下的增产改造。鉴于地面工况条件与矿井下工况条件的差异,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法开发深部煤层气需要解决的关键技术问题,包括水力缝槽参数控制,固相颗粒的返排,定向井完井与水力割缝匹配性,以及高压流体传输动力损失。地面定向井+水力割缝卸压方法在非常规天然气开发以及深部煤炭强矿压与瓦斯灾害防治等方面具有应用前景。     

冲击载荷下砂岩强度特性及破坏规律研究

为了研究砂岩的强度特性以及破坏规律,利用分离式Hopkinson装置对砂岩巴西圆盘进行不同冲击速度的动态劈裂试验,并利用三维非线性动力学分析软件LS-DYNA模拟这一劈裂过程。通过对试验所得应力应变曲线与模拟所得应力应变曲线的对比,确定数值模型的有效性。结合试验结果以及模拟结果可以得出,总体上砂岩的动态抗拉强度随着平均应变率的增大而增大,但并不是线性关系,而是当平均应变率低于某一值时,动态抗拉强度随着平均应变率的增加急剧增大,当平均应变率高于这一值时,动态抗拉强度随着平均应变率的增加而缓慢的增加;在动态劈裂过程中,砂岩巴西圆盘的破坏并不都是从中心位置起裂的,初始起裂位置与平均应变率的大小有关,当平均应变率小于某一值时,初始起裂位置在靠近入射杆一端,当平均应变率大于某一值时,初始起裂位置在靠近透射杆一端;砂岩试件的总体破坏顺序是由靠近入射杆端或者靠近透射杆端向中间位置扩展,同时由试件表面向内部扩展,最终上下表面导通,试件被劈裂成两半。     

混凝土泵送充填在留巷中的应用

合理利用资源,将煤矿矸石再次利用作为巷旁充填混凝土材料,根据混凝土材料的配比及性能特征,设计了合理的巷旁充填支护参数,构建了泵送混凝土材料的充填工艺系统,并对金刚煤矿3117工作面沿空留巷巷旁充填工业试验进行研究.试验结果表明,在设计时间内,混凝土材料具有良好的塑性性能,既能有效地控制围岩变形,适应巷道顶板的活动规律,又能安全维护和保留巷道,因而是一种理想的沿空留巷巷旁充填材料     

大沙河尾矿库扩容工程坝体加固设计与稳定性分析

以大沙河尾矿库为工程背景,采用数值模拟反演分析得到现状和加高后不同工况下的浸润线,对现状下和加高后坝体的稳定性进行了计算并提出相应的加固措施。结果表明,反演分析得到的浸润线与实际情况较为一致,可以运用到不同条件下坝体稳定性分析中;现状下和加高后坝体在正常工况和洪水工况运行的安全系数均满足规范要求,特殊工况下安全系数均不满足规范要求;依据现场的实际情况,对坝体采取水平排渗和块石贴坡加固措施后,3种工况下坝体安全系数均满足规范要求,验证了该加固措施的有效性。     

煤层不同类型裂缝应力敏感性实验--以阜新盆地煤样为例

煤层气井排水降压阶段普遍诱发裂缝应力敏感性,导致井周裂缝快速闭合、渗透性大幅下降,严重影响煤层气开采。为探索能够降低煤层裂缝应力敏感性、提高有效渗透率的增产改造措施,采集阜新盆地含方解石脉煤样,以原煤样、巴西劈裂煤样以及酸化处理煤样为实验对象,研究了天然裂缝、人工裂缝、酸化裂缝的渗透率及其应力敏感性。结果表明:煤样中方解石脉酸溶后,酸化裂缝与人工裂缝处于同一渗透性级别;有效应力为3 MPa时,3类裂缝平均渗透率分别为2.94×10^-3μm²、75.08×^-3μm²、71.12×^-3μm²,而有效应力增加至15 MPa时,其渗透率分别下降至0.71×^-3μm²、2.03×^-3μm²、26.55×^-3μm²,应力敏感系数分别为0.14 MPa^-1、0.31 MPa^-1、0.084 MPa^-1;应力敏感导致3类裂缝渗透性均产生不可逆损害,其中人工裂缝损害程度达80%,而天然裂缝和酸化裂缝分别为46.7%和27.7%。与原煤样和巴西劈裂煤样相比,酸化处理煤样应力敏感性最弱,应力加载过程能够保持更高渗透性,主要原因是酸化裂缝面粗糙度更大、裂缝产状更加复杂,相同应力条件下,酸化裂缝的应力敏感系数分别为天然裂缝和人工裂缝的60%和27%。研究认为:酸化处理能够有效弱化煤层裂缝应力敏感性,对于含方解石脉煤层,可以考虑酸化增产改造,或采用“水力压裂+酸化”的复合改造措施,使煤层在降压生产过程中长期保持较高渗流能力。     

尾矿库加高扩容坝体动力反应与抗震性能分析

地震是引起尾矿坝事故的主要原因之一,对尾矿坝抗震性能的准确评估对于预防尾矿坝震害具有重要意义。尾矿坝的抗震性能包括液化可能性、动力稳定性和永久变形3个方面。以云南省狮子山铜矿的大沙河尾矿库加高扩容工程为背景,基于有限元时程分析法,对该尾矿坝在现状条件下、直接加高后和加高中增设排渗措施3种条件下的动力反应和抗震性能进行了计算和分析。结果表明,浸润线对尾矿坝的抗震性能有至关重要的影响。尾矿库加高扩容后,浸润线有明显抬升,在地震作用下会导致下游坡面发生液化,产生较大的永久变形,安全系数降低至规范值以下;采取增设坝体排渗设施后,有效地降低浸润线的埋深,能显著提升坝体抗震性能,使其满足相应抗震设防要求。另外,地震作用下尾矿坝的加速度放大系数相对较小,与坝高并非呈单调关系,这些特点与土石坝有差别。采用滑动位移分析法、等效节点力法和简化弹塑性分析法对尾矿坝的永久变形进行了计算,尽管具体量值和表现形式有明显差别,但均表现出永久变形随总坝高增高而增大、随浸润线降低而减小的趋势。     

不同状态CO_2驱替页岩吸附CH_4的动态特性研究

为了研究不同状态CO_2驱替页岩吸附CH_4的动态特性,以鄂尔多斯盆地陆相延长组页岩为研究对象,开展了不同状态CO_2驱替页岩吸附CH_4的柱动态学实验,并采用Coats-Smith两区模型模拟了储层内CO_2驱替吸附CH_4的动态过程。研究结果表明:随着CO_2注入压力的提高,穿透曲线的拖尾现象更加明显,实验初期流出的纯CH_4的量逐渐降低且CO_2的封存量逐渐增大;当CO_2注入压力为8.0 MPa时,不同温度下的穿透曲线不重合,超临界态CO_2更容易扩散进入不可动区内去置换吸附的CH_4;液态和超临界态CO_2在页岩上的吸附性强于气态CO_2。     

高应变率下砂岩的动态力学性能研究

利用直径30 mm的分离式霍普金森压杆,对不同弹速下砂岩试样进行巴西圆盘劈裂实验,研究砂岩在高应变率下的动态抗拉强度及试样的破坏模式,得到了砂岩的动态抗拉强度随着应变率的提高而增加。其中,在应变率小于316/s时,动态抗拉强度随着应变率的增加而大幅增大,在应变率高于316/s时,动态抗拉强度随着应变率的增加而平缓的增加。考虑了压杆撞击速度及试样尺寸对试样的破坏时刻、应变率的影响,通过试样表面贴应变片观测发现试样是由中心向两端发展的起裂顺序。同时,利用ANSYS-LYDYNA有限元对巴西圆盘试样的动态应力分布进行数值模拟,验证了动态劈裂拉伸实验的有效性。