脈動載荷下煤體裂隙演化規(guī)律及其在瓦斯抽采中的應用研究.pdf

1、煤礦瓦斯（煤層氣）是優(yōu)質清潔能源，加速發(fā)展煤礦瓦斯抽采產業(yè)發(fā)展具有保障國家能源安全、優(yōu)化能源結構、降低煤礦瓦斯事故、實現(xiàn)國家溫室氣體減排等重要意義。目前，我國煤礦井下瓦斯以鉆孔抽采為主，由于高瓦斯低透氣性煤層具有煤層賦存復雜多變、微孔隙、低滲透、瓦斯高吸附等特征，瓦斯抽采難度大，常規(guī)卸壓增透技術效果不明顯，嚴重制約著礦井安全生產和資源利用。脈動水力壓裂技術的出現(xiàn)為礦井瓦斯高效抽采提供了一條新的途徑。然而，脈動水力壓裂作用下煤體裂隙演化規(guī)

2、律的基礎研究明顯滯后于工程應用，亟待進一步研究和完善。
　　本文以脈動水力壓裂技術的工程應用為背景，采用理論分析、物理實驗、數(shù)值模擬等方法，開展脈動載荷下裂隙演化機制、脈動頻率和脈動壓力控制下裂隙演化規(guī)律等研究，取得的主要研究成果如下：
　?。?）揭示了脈動載荷下煤體破裂及裂隙演化機制。脈動載荷作用下，試件被“層層剝落”，裂隙經歷了閉合-線性變形-穩(wěn)定擴展的非線性變形-加速擴展至試件破裂，擴展速度遠小于靜壓載荷。試件出現(xiàn)塑性

3、應變，力學強度降低，微小裂隙得到充分擴展和溝通，細觀裂隙參與破裂過程，形成多個破裂面，試件內部形成較好的裂隙網(wǎng)絡。脈動載荷的峰值載荷為靜壓載荷的85％。
　　（2）研制了脈動變頻加載及煤體致裂實驗系統(tǒng)。主要包括脈動壓力發(fā)生及變頻系統(tǒng)、真三軸加載系統(tǒng)、壓力及流量控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)4個子系統(tǒng)，具有脈動頻率無極調速、大尺寸試件真三軸應力加載、裂隙演化過程可控及參數(shù)可測等功能，可開展不同地應力、加載方式、脈動參數(shù)等條件下煤體裂隙演化實驗，

4、為脈動水力壓裂的實驗室研究奠定了基礎。
　?。?）探索了脈動頻率在煤體裂隙演化中的作用機制。理論分析了脈動載荷下煤巖體的疲勞損傷機理，開展了固定頻率和變頻的脈動水力壓裂物理實驗，結果表明，低頻時，試件被“軟化”，起裂壓力和裂隙擴展速率降低，微小裂隙得到發(fā)育和擴展，裂隙破裂面復雜；高頻時，壓力幅值大，起裂壓力和裂隙擴展速率升高，裂隙形態(tài)單一。根據(jù)研究成果，提出了變頻脈動加載方式，提高裂隙演化效果。
　?。?）探索了脈動壓力控制

5、下煤體裂隙演化機制。理論分析了脈動載荷作用下裂隙起裂及延伸規(guī)律，認為，在動態(tài)的脈動載荷作用下，裂隙起裂和延伸隨機性增強，裂隙演化更加復雜。數(shù)值模擬驗證了以上結論，發(fā)現(xiàn)，相對于靜壓載荷，脈動載荷作用下裂隙數(shù)量增加了20%以上，起裂壓力降低了85%以上；脈動壓力幅值對裂隙數(shù)量、起裂壓力等有一定的影響。物理實驗進一步表明，降低裂隙脈動壓力幅值能夠提高微小裂隙的起裂、擴展。根據(jù)研究成果，提出了基于脈動壓力控制的裂隙演化控制方式，促進裂隙網(wǎng)絡的形