含瓦斯煤体水力压裂动态变化特征研究

为了研究煤体水力压裂的破裂机理及动态变化特征,本文以平煤集团十二矿为例建立了相关数学模型,通过数值试验和现场实验,获得了水力压裂过程中裂隙起裂及扩展过程的动态变化特征,即:应力积累→微裂纹稳定扩展→局部破坏带形成→局部破坏带扩展与贯通→裂隙失稳扩展;结合现场实测数据及含瓦斯煤体水力压裂动态变化影响因素分析,建立了煤体埋深、瓦斯压力和水力破裂压力三者耦合模型,研究结果对现场实践具有重要指导意义.     

煤体瓦斯吸附渗流过程及声发射特性实验研究

对原煤试样瓦斯吸附渗流过程的声发射信号进行了监测,并基于声发射信号特征,分析了煤体损伤演化及瓦斯吸附渗流的动态特征。实验发现,在吸附过程的初期,声发射强度最大,而且随着吸附量的逐渐增加,声发射信号逐渐减弱;吸附过程中声发射信号在时域上呈现阵发性,即密集段与间歇段相连的特征。实验结果表明:瓦斯是由煤体最外层开始逐层向内部吸附渗流的;在瓦斯逐层渗流过程中,当瓦斯压力梯度大于可导致煤体局部微观结构破坏的临界压力梯度时,瓦斯表现为具有动力效应的破坏式渗流,对应着声发射的密集段;煤体受到破坏后,渗流阵面的压力急剧降低,瓦斯表现为无破坏能力的渗流,同时也进入蓄能阶段,对应着声发射间歇段;随着煤体内部瓦斯压力的增大,吸附过程趋于平衡,煤体内产生的声发射信号也逐渐减弱。     

含瓦斯煤破裂过程中声发射行为特性的研究

为探求含瓦斯煤失稳破坏过程中的声发射行为演化规律,笔者以含瓦斯原煤为研究对象,利用配备有声发射同步监测功能的含瓦斯煤三轴力学伺服实验装置,完成了不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤破裂过程中全应力应变和声发射行为同步监测实验,进而探求含瓦斯煤破裂过程中的声发射行为演化特性,以及声发射行为对瓦斯压力变化的响应特性。研究发现:含瓦斯煤弹性模量、峰值强度及峰值应变均随吸附瓦斯压力增加而线性降低,且在瓦斯压力的影响下应力应变曲线总体上向"低应力诱发大应变"方向迁移;受载煤体在破裂过程中随时间变化,声发射行为演化过程可以划分为4个时期,分别为Ⅰ平静期、Ⅱ提速期、Ⅲ加速期以及Ⅳ稳定期,其中提速期和加速期累计计数较平静期分别最高提高了6.39和37.5倍,能量参数分别最高提高了8.39和43.7倍;受载不含瓦斯煤样声发射演化过程中提速期和加速期的声发射参数累积量均明显高于同样加载条件下的含瓦斯样品,且在提速期和加速期,瓦斯压力与声发射参数累积量呈指数函数衰减关系。     

碎柱破坏过程及其声发射规律的数值模拟

运用一个岩石破裂过程分析ＲＦＰＡ＾２Ｄ系统,对矿柱的破坏过程进行了数值模拟研究,矿柱被看成是非均匀脆性岩石材料。模拟结果再现了矿柱从变形到破坏的全过程及其声发射规律。结果表明,劈裂是矿柱破坏的主要形式,并首先在矿柱表面出现,然后再形成由表及里的破裂扩展直至矿柱最后产生剪切破坏。     

岩石高径比效应对其声发射影响的数值模拟研究

对6种不同高径比岩石试样进行数值模拟研究,讨论了不同高径比值下声发射之间的关系,得出了声发射的时间序列特征和空间分布的规律:H/D1时,达到应力峰值前,声发射频度及能量极少,且弥散、随机的过程较长;当达到峰值时,声发射频度和能量达到历史最大,主要分布在试样中部。H/D≤1时,在初期声发射已有出现,达峰值应力前有声发射突跃,且能量也较大,出现声发射带;达到峰值应力和在峰值过后仍有几次频度较高的声发射。这些特征为用压力机做实验时,控制一定高径比尽量避免岩石试样破裂过程受垫板干扰提供了参考依据,对预测岩石破裂来临及位置具有一定的参考意义。     

岩石端部效应对其声发射影响的数值模拟研究

利用数值分析软件RFPA2D对5种不同端部条件下的岩石试样进行了数值模拟研究,讨论了垫板和岩样弹性模量不同比值下,端部效应和声发射之间的关系,得出了声发射的时间序列特征和空间分布的规律:EP/Es<1,有数次高频度声发射出现,声发射主要分布在试样的两个端部,中部出现较少;EP/Es=1,仅有一次高频度的声发射出现,声发射主要随机均匀地分布在试样中;EP/Es>1,有多次高频度的声发射出现,声发射主要分布在试样的中部。这些特征和规律为利用压力机做实验时,尽量避免岩石试样破裂过程受垫板干扰提供了很好的参考依据。     

深度对含瓦斯煤层水力压裂裂纹转向行为的影响数值模拟分析

随着深度的增加,煤岩层受到的水平应力与垂直应力之比会逐渐降低,进而对水力压裂注压孔周围的裂纹扩展行为造成影响。为了探究不同深度下水力压裂裂纹转向行为特征,基于煤层力学模型与瓦斯吸附动力学模型,利用多物理场耦合模拟软件COMSOL进行分析,获得了不同深度条件下注压孔周围的应力分布特征以及裂纹起裂压力特征。结果表明：在较浅的深度,即水平应力与垂直应力比值大于1时,裂缝主要在水平方向上扩展,且应力比值增大,裂缝越容易发生转向;而在较深的深度,即水平应力与垂直应力之比小于1时,裂缝在向垂直方向上延伸,且应力比值越小,裂缝越容易发生转向。     

水力压裂对瓦斯压力的影响效果研究

在高瓦斯矿开采工作面,瓦斯压力对注水水头压力的选取有较大影响,利用RF-PA2D对水力压裂工作面进行建立模型,以现场实验数据进行数值模拟研究,获得合理的注水参数,提高煤层压裂效果.     

岩石结构对声发射影响的试验研究及数值模拟初探

本文在试验的基础上,研究了两类岩石材料单轴压缩下的声发射规律,发现脆性坚硬完整的材料声发射在破坏前会出现突跃;而松软材料发射平稳增加,这与其破坏现象是一致的。数值模拟表明,岩石的破坏过程与岩石的结构（均质度）存在一定的关系,模拟加载过程中的声发射规律与试验的结果一致。     

水力压裂影响范围数值模拟研究

为了对水力压裂措施压裂煤层裂缝的起裂效果在直观上有一个感性的认识,采用RF-PA2D-Flow软件对平煤集团十矿己15-31010工作面进行数值模拟。模拟软件清晰地展现了水力压裂时裂缝的起裂、扩展和延伸的过程,并且通过对抽采孔和压裂孔孔间距分别为5、6、7 m时进行数值模拟,模拟结果表明:煤体经水力压裂后,透气性发生了明显的变化,透气系数增大到4～6倍左右,最高能增大到近10倍,增透效果明显,另外还表明:在煤体硬度、水压、钻孔直径等因素一定的条件下,水力压裂的影响范围是一定的。     

含瓦斯煤体爆破作用机理数值模拟研究

为进一步研究含瓦斯煤体爆破作用机理,利用断裂损伤力学理论分析了爆破裂纹尖端的复合应力状态,利用DYNA软件建立了煤体耦合装药结构模型和含瓦斯压力模型进行计算,结果表明:煤体中爆炸应力波按指数规律衰减,衰减系数α=(3-μ)/(1-μ);瓦斯压力的存在增大裂隙尖端的应力和应力强度因子K1,延长应力波作用时间,有利于爆破裂...     

受载岩土破裂过程声发射及数值模拟试验

为利用声发射技术评估岩土稳定性,采用试验和数值模拟方法研究了重庆黄泥包岩土单轴压缩及劈裂过程声发射特征。研究结果表明:岩土在单轴压缩及劈裂破坏过程中均有声发射产生,与压力对应良好;均匀受载时,岩土产生的声发射呈稳态发展趋势;微破裂处,声发射有明显响应;压力峰值处,出现声发射极值。数值模拟岩土单轴压缩破坏过程呈脆性破坏,裂纹扩展从强度较弱的单元开始,逐渐贯穿形成45°主裂纹;声发射信号与应力对应良好。数值模拟岩土单轴压缩破坏过程及声发射与试验结果接近,有助于深入了解岩土损伤过程的声发射特征。     

水力挤出煤体破裂数值模拟试验研究

为了选取水力挤出措施最佳注水参数,提高防突效果,用数值模拟方法定量分析高压注水作用下的煤体起裂、裂纹扩展延伸和挤出过程。采用数值模拟软件RFPA2D研究注水过程中注水孔周围煤体应力场、水压梯度分布场和位移矢量场的变化规律。通过模拟得出注水参数和各种因素之间的关系,为注水参数合理配置提供了依据。     

割缝钻孔水压致裂增透过程的数值模拟

利用岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统RFPA2D-Flow,对比分析了单孔和割缝钻孔水力压裂失稳破裂过程。结果表明:割缝钻孔预制缝槽转移集中应力达到卸压效果,诱导高压水流沿缝槽形成主裂隙向外扩展,有效削弱煤岩的强度和整体性达到水压致裂增透的效果;水压致裂裂隙路径的粗糙度和不规则展布受围岩非均匀性的影响十分显著。     

打钻过程中瓦斯涌出的数值模拟研究

为了解钻孔过程中瓦斯涌出的规律,利用ANSYS软件进行数值模拟,得到在打钻过程中瓦斯涌出速度和涌出量的规律及特点,并且分析可能产生这种规律的原因,通过研究其规律和原因,将有助于提高预测突出的准确率,避免在打钻过程中瓦斯突出等事故的发生以保证井下工作人员的生命安全。     

单轴加载过程煤样声发射及损伤特征实验研究

为了研究单轴加载过程煤样破裂声波响应特征,采集耿村矿煤样,采用煤岩加载系统和声发射采集系统,对煤样进行单轴加载过程声发射响应特征测试,并对加载过程声发射计数及损伤的响应特征进行了分析。结果显示:随加载进行,声发射参数及损伤响应呈现阶段性特征,并与煤样破坏之间具有较好的匹配性。因此,通过声发射参数的监测,可以对煤样变形、破坏特征进行分析与预测。     

顶板穿层钻孔水力压裂现场数值模拟研究

以水力压裂增透机理为理论基础,以河南能源化工集团焦作煤业集团二1煤层的现场实测数据为参数,对演马庄矿22111运输巷顶板抽采巷打顶板穿层钻孔对煤体进行水力压裂,并运用RFPA2D-Flow软件进行水力压裂现场模拟。通过分析水力压裂过程中煤层裂隙的产生和贯通,以及压裂后钻孔周围主应力和渗透系数的变化,可知压裂后钻孔周围煤层主应力得到明显降低和渗透系数得到显著增加。并通过现场水力压裂抽采数据分析得出:压裂孔影响区域单孔日均抽放纯瓦斯流量是压裂孔未影响区域组抽采孔日均瓦斯抽采纯流量的35.35倍,抽采孔瓦斯浓度平均要提高1.34倍。水力压裂能显著增加抽采效果。     

突出低渗煤层水力压裂增透技术应用研究

针对绿塘煤矿井田区域可采煤层瓦斯含量大、压力高,透气系数低带来煤层瓦斯抽采困难等技术难题,设计采用BZW-200型水力压裂系统进行水力压裂试验,考察压裂前后煤层含水率、瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采纯量等参数来检验压裂试验的效果并优化钻孔布置。应用研究表明:水力压裂对于该矿6_中煤层具有显著增透作用,透气性系数提高约25倍;水力压裂试验明显改善了煤层瓦斯基础参数;实施水力压裂后煤层瓦斯抽采浓度及抽采量显著增大,能有效提高瓦斯抽采效率,保证工作面安全回采。