CO2切槽定向致裂机理实验研究下载

weixin_39821260 2020-10-02 06:30:43

基于CO2致裂理论和实践,结合切槽定向爆破方法,提出了CO2切槽定向致裂技术,定性分析了CO2切槽定向致裂机理,开展了CO2切槽定向致裂实验。结果表明:在CO2致裂过程中,切槽产生了应力集中和孔壁裂纹抑制2个力学效应,再加切槽对裂纹方向的引导作用,在三者共同影响下,使裂纹沿着设计方向起裂和扩展,从而实现CO2致裂裂纹的定向控制。
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基于CO2致裂理论和实践,结合切槽定向爆破方法,提出了CO2切槽定向致裂技术,定性分析了CO2切槽定向致裂机理,开展了CO2切槽定向致裂实验。结果表明:在CO2致裂过程中,切槽产生了应力集中和孔壁裂纹抑制2个力学效应,再加切槽对裂纹方向的引导作用,在三者共同影响下,使裂纹沿着设计方向起裂和扩展,从而实现CO2致裂裂纹的定向控制。

利用水泥素混凝土模型模拟岩石性质进行了单孔定性分析实验、双孔模型实验和三孔光面爆破实验。通过单孔实验得出最佳装药参数和有效的实验数据,通过双孔模型实验观察分析出含水炮孔切缝药包在不同起爆时间条件下的贯通情况,通过三孔光面爆破实验分析出在含水炮孔切缝药包爆炸载荷作用下的光面爆破效果和围岩的损伤情况。

由于急倾斜煤层地质条件与开采工艺的特殊性，在采用水平分层开采方式时下部卸压煤体释放的大量瓦斯流向回采工作面造成安全问题。为了治理急倾斜煤层综采工作面底部煤体瓦斯的威胁，降低急倾斜煤层底部煤体瓦斯流向回采工作面的浓度，提出了将水射流割缝与高压水力压裂相结合，形成切槽定向致裂增透急倾斜煤层底部区域煤体的瓦斯高效抽采技术。在神新集团乌东煤矿北区+500 m水平45号煤层东翼南巷40—400 m至上分层+525 m水平进行了工程试验研究。讨论与分析了急倾斜煤层切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术的增透原理与工艺流程，制定了详细的现场工程试验方案，优选出了适用于急倾斜煤层切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术的整套工艺技术装备。研究结果表明：采用切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术增透急倾斜煤层回采工作面底部煤体瓦斯富集区域后，切槽定向致裂钻孔在注水压力为20 MPa条件下的瓦斯抽采纯量较普通瓦斯抽采钻孔提升了6.7倍，割缝钻孔瓦斯抽采纯量较普通瓦斯抽采钻孔提升了3.0倍；增透直接扰动半径约为6 m，70 d的抽采时间内影响半径已达到8 m以上。研究结果表明应用此技术治理急倾斜煤层回采工作面底部煤体瓦斯效果明显，有效保障

为了探讨水射流增渗情景下不同切槽参数对煤体损伤及裂纹扩展的影响,采用颗粒流PFC2D软件建立单切槽、双切槽煤样参数模型,模拟单轴载荷作用下切槽面与载荷夹角为90°、45°和0°情况下试样损伤过程,对比分析全应力-应变过程中煤体裂纹分布、裂纹数量及内部摩擦能的变化。模拟结果表明:进入塑性变形阶段煤体裂纹快速发育,内部摩擦能伴随增大,裂纹集中分布于切槽两端处,多切槽布置将引导裂纹定向发育扩展;增加切槽面数量、增大切槽面与载荷应力夹角能够降低煤体裂纹发育阈值,促进煤体裂纹扩展;水射流切槽工艺布置设计应选择切槽面与主应力夹角为45°情况,避免切槽内错夹角为0°情况。

纵向切槽水力压裂作为一项强烈动压巷道切顶卸压技术，核心是控制裂缝开裂以及扩展方向，然而裂缝在定向起裂后往往受最大主应力的影响而发生偏转，裂缝的扩展方向与岩石力学性质、地应力条件、切槽角度以及泵流量等多种因素有关。本文采用ABAQUS软件中的XFEM模块，建立纵向切槽水力压裂二维模型，通过与前期纵向切槽水力压裂物理试验结果对比，实现了数值模型可行性验证，进而建立大尺寸纵向切槽水力压裂模型对煤矿顶板砂岩条件下的纵向切槽水力压裂裂缝偏转规律展开了详细研究。结果表明，水平应力比为重要的裂缝偏转距影响因素，水平应力比由1.5增加到3.5过程中，裂缝偏转距先后减小55.3%、56.9%和41%；切槽角度对裂缝扩展路径影响较大，对裂缝偏转距影响相对较小；水平应力比为1.5与2.0两种条件下，泵流量由30L/min增加到180L/min过程中，裂缝偏转距不断增大，且具有较大增长幅度，在水平应力比为2.5条件下，裂缝偏转距的增长幅度明显减弱，三种水平应力比条件下，目前施工常用注水泵流量90L/min对应的裂缝偏转距分别为4.05m、1.81m、0.75m，可通过提升大幅泵流量，实现偏转距的较大增长；该研

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