《水力化煤層增透理論及技術(shù)》系統(tǒng)地論述了水力化煤層增透理論、技術(shù)及系統(tǒng)裝備，內(nèi)容包括高壓水射流沖擊動力學特性，破巖增透理論，煤層水力壓裂起裂機理、裂縫擴展規(guī)律，射流割縫復合水力壓裂裂縫起裂及擴展理論、技術(shù)裝備和工程應(yīng)用�！端簩釉鐾咐碚摷凹夹g(shù)》共分7章，分別為緒論、高壓水射流造縫增透理論、成套裝備、增透技術(shù)、煤礦井下水力壓裂增透技術(shù)、射流割縫復合水力壓裂增透技術(shù)和煤礦井下射流割縫復合水力壓裂現(xiàn)場應(yīng)用。《水力化煤層增透理論及技術(shù)》囊括了著者所在的國家創(chuàng)新研究群體和教育部創(chuàng)新研究團隊近10年的研究成果。
《水力化煤層增透理論及技術(shù)》適合從事煤層氣抽采、煤礦瓦斯災(zāi)害治理的科研人員、工程技術(shù)人員、高等院校教師、研究生和本科高年級學生參考和閱讀。
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煤層氣，也稱煤層瓦斯，是以甲烷為主要成分的混合氣體，是公認的高效、優(yōu)質(zhì)清潔能源。我國煤層瓦斯資源極其豐富，儲藏總量約為36.8萬億m3，居世界第三位。高效開發(fā)煤層氣既可大量減少甲烷排放，又可改善能源結(jié)構(gòu)，保障清潔能源安全供給。同時，高效開發(fā)煤層氣實現(xiàn)采氣采煤一體化，可以杜絕煤礦瓦斯事故，大幅度改善煤礦安全生產(chǎn)。
我國煤層氣賦存條件復雜，70%的煤礦可采煤層均是具有煤與瓦斯突出危險的復雜煤層，煤層滲透率低于000lmD，煤層瓦斯主要以吸附態(tài)賦存煤體中，通常吸附瓦斯量占80%～90%，游離瓦斯量占10%-20%;瓦斯壓力高達5.6～13.9MPa，瓦斯含量一般在15～25m3/t。隨著開采深度的增加，瓦斯災(zāi)害日益嚴重。復雜煤層瓦斯抽采已成為礦業(yè)工程中的世界級技術(shù)難題。
解決瓦斯災(zāi)害最根本的措施為預抽瓦斯，目前預抽煤層瓦斯有兩種方式：地面抽采和井下抽采，因地面抽采成本高，對于復雜煤層難度也較大。在我國大部分煤礦瓦斯治理還是采用井下瓦斯抽采。由于復雜煤層透氣性低，井下抽采主要存在鉆孔有效影響范圍小、鉆孔工程量大、抽采達標時間長等問題，這就必須采取增透方法，增加煤層透氣性，以提高抽采效果。復雜煤層的增透方法可分為兩大類，一類是煤層層內(nèi)卸壓增透方法，另一類是煤層層外卸壓增透方法。層外卸壓增透方法如開采保護層技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用得相當成熟，并取得良好的效果。對于不具備保護層開采條件的復雜煤層，必須采用層內(nèi)增透方法，其主要目的是增加煤層透氣性。
治理煤礦瓦斯災(zāi)害主要思想是，增加煤體裂隙率，提高煤層透氣性，降低煤體瓦斯壓力和瓦斯含量，提高煤體瓦斯抽采率。
著者及其研究團隊針對我國復雜煤層瓦斯災(zāi)害嚴重這一重大安全問題，提出了水力化煤層增透的學術(shù)思想，主要開展了高壓水射流破巖機理、造縫增透理論、射流割縫復合水力壓裂增透理論、抽采技術(shù)及裝備等方面的研究，取得主要研究成果如下：①揭示了高壓水射流動態(tài)沖擊特性及破巖機理。研究高壓水射流瞬態(tài)沖擊動力產(chǎn)生的機理，分析高壓水射流沖擊動力特性與煤巖相互作用關(guān)系。②揭示不同類型的煤體起裂機理。根據(jù)煤體宏觀和微觀結(jié)構(gòu)分類特征，采用彈性力學、斷裂力學、土力學等理論分別建立不同結(jié)構(gòu)煤體的水力壓裂起裂模型及起裂準則，并分析天然裂縫、煤巖交界面和斷層對水壓裂縫擴展的影響。③揭示煤礦井下射流割縫復合水力壓裂增透機理。根據(jù)射流割縫形成縫隙后煤體力學特性的變化規(guī)律，建立射流割縫后煤體受力分析幾何模型；揭示射流割縫輔助水力壓裂裂縫起裂及擴展機理，建立裂縫尖端起裂臨界，積分模型；分析射流割縫輔助水力壓裂裂縫延緩閉合影響因素，推導出射流割縫輔助水力壓裂作用下煤層裂隙內(nèi)瓦斯?jié)B流方程。④開發(fā)出水力化煤層增透成套技術(shù)及裝備。研發(fā)出適用于不同煤層地質(zhì)條件的水力化瓦斯抽采技術(shù)及系統(tǒng)裝備，包括自動式割縫器、高壓旋轉(zhuǎn)輸水器、高壓密封鉆桿、專用壓裂管、專用封孔裝置、氣渣分離器等關(guān)鍵設(shè)備。
目錄
前言
第1章 緒論1
1.1 概述1
1.2 煤層氣資源概況及開發(fā)現(xiàn)狀3
1.2.1 國外煤層氣的資源分布和開發(fā)現(xiàn)狀3
1.2.2 我國煤層氣資源情況及儲層特點5
1.3 國內(nèi)外煤層增透理論與技術(shù)研究現(xiàn)狀7
1.3.1 鉆孔卸壓增透法7
1.3.2 高能液體擾動卸壓增透法7
1.3.3 爆生氣體擾動卸壓增透技術(shù)10
1.4 水力化增透理論與技術(shù)10
1.4.1 水射流增透技術(shù)11
1.4.2 水力壓裂技術(shù)12
1.5 煤礦井下水力化增透技術(shù)展望15
1.5.1 水力化增透理論15
1.5.2 水力化增透技術(shù)多元化發(fā)展16
1.5.3 水力化增透裝備智能化發(fā)展17
1.6 參考文獻18
第2章 高壓水射流造縫增透理論20
2.1 水射流沖擊動力學理論20
2.1.1 水射流基本理論21
2.1.2 水射流結(jié)構(gòu)特征22
2.1.3 水射流沖擊特征27
2.2 高壓水射流瞬態(tài)動力學特性43
2.2.1 水射流沖擊靶板的實驗方案設(shè)計43
2.2.2 水射流沖擊靶板的數(shù)值模擬研究53
2.2.3 水射流沖擊靶板的過程分析63
2.2.4 水射流沖擊靶板后的流體運動狀態(tài)分析78
2.2.5 射流速度對沖擊特性的影響分析86
2.2.6 水射流形狀對沖擊特性的影響分析98
2.2.7 靶板角度對沖擊特性的影響分析100
2.3 高壓水射流沖擊破碎巖石機理研究101
2.3.1 水射流沖擊破巖機理分析102
2.3.2 水射流破巖實驗研究111
2.4 高壓水射流導引鉆頭破硬巖機理研究140
2.4.1 高壓水射流導引鉆頭破硬巖方法140
2.4.2 高壓水射流導引鉆頭破硬巖機理143
2.4.3 高壓水射流導引鉆頭破硬巖實驗158
2.5 高壓水射流增透抽采理論163
2.5.1 高壓水射流沖擊煤體動態(tài)損傷特征163
2.5.2 高壓水射流造縫卸壓效應(yīng)164
2.5.3 空化聲震效應(yīng)強化瓦斯解吸滲流機理178
2.5.4 高壓水射流造縫對煤層滲透率的影響188
2.6 參考文獻194
第3章 高壓水射流造縫增透成套裝備198
3.1 高壓水射流造縫增透成套裝備組成198
3.2 磨料射流輔助破硬巖鉆頭198
3.2.1 磨料射流導引鉆頭研制198
3.2.2 磨料射流導引鉆頭穿硬巖層鉆進工藝200
3.3 自動切換式切縫器202
3.3.1 煤層割縫器噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計203
3.3.2 割縫器噴嘴布置方式優(yōu)化設(shè)計203
3.4 高壓密封輸水器206
3.5 高壓密封鉆桿208
3.5.1 高壓水密封鉆桿208
3.5.2 高壓密封雙動力螺旋排渣鉆桿209
3.6 氣渣分離裝置210
3.7 參考文獻212
第4章 高壓水射流網(wǎng)格化造縫增透技術(shù)214
4.1 高壓水射流造縫增透關(guān)鍵參數(shù)214
4.1.1 破煤巖壓力214
4.1.2 破煤巖流量217
4.1.3 噴嘴直徑220
4.1.4 噴嘴轉(zhuǎn)速和切割時間222
4.1.5 抽采半徑225
4.1.6 割縫工藝229
4.2 工程應(yīng)用231
4.2.1 快速石門揭煤技術(shù)231
4.2.2 穿層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯技術(shù)239
4.2.3 煤巷掘進鉆割一體化技術(shù)242
4.2.4 順層鉆孔預抽煤層瓦斯技術(shù)246
4.3 參考文獻248
第5章 煤礦井下水力壓裂增透技術(shù)249
5.1 不同類型煤體的起裂機理249
5.1.1 適用于水力壓裂的煤體結(jié)構(gòu)劃分249
5.1.2 原生結(jié)構(gòu)煤體的起裂機理252
5.1.3 碎裂結(jié)構(gòu)煤體的起裂機理256
5.1.4 碎粒及糜棱結(jié)構(gòu)煤體的起裂機理260
5.2 煤層水壓裂縫擴展規(guī)律266
5.2.1 天然裂縫對煤層水壓裂縫擴展的影響267
5.2.2 煤巖交界面對煤層水壓裂縫擴展的影響274
5.2.3 斷層對煤層水壓裂縫擴展的影響283
5.3 參考文獻293
第6章 煤礦井下射流割縫復合水力壓裂增透技術(shù)294
6.1 射流割縫復合水力壓裂裂縫起裂機理294
6.1.1 射流割縫復合水力壓裂煤體起裂準則294
6.1.2 射流割縫降低煤層起裂壓力研究298
6.1.3 射流割縫與未割縫壓裂起裂壓力數(shù)值分析302
6.1.4 射流割縫復合水力壓裂裂縫起裂位置307
6.2 射流割縫復合水力壓裂裂縫擴展規(guī)律310
6.2.1 射流割縫復合水力壓裂裂縫擴展規(guī)律分析310
6.2.2 射流割縫復合水力壓裂裂縫擴展數(shù)值分析315
6.3 射流割縫復合水力壓裂增透機理317
6.3.1 水壓裂縫閉合機理317
6.3.2 水壓裂縫內(nèi)瓦斯?jié)B流規(guī)律324
6.3.3 射流割縫復合水力壓裂瓦斯富集規(guī)律327
6.4 煤層清潔壓裂液增透抽采機理研究329
6.4.1 壓裂液研究現(xiàn)狀329
6.4.2 清潔壓裂液性能330
6.4.3 清潔壓裂液促進煤層瓦斯?jié)B流331
6.4.4 清潔壓裂液增加煤層瓦斯抽采機理336
6.5 煤礦井下射流割縫復合水力壓裂工藝與裝備340
6.5.1 射流割縫復合水力壓裂鉆孔布孔原則340
6.5.2 鉆孔施工安全防護裝置研制342
6.5.3 射流割縫復合水力壓裂鉆孔封孔材料及工藝348
6.5.4 井下射流割縫復合水力壓裂設(shè)備優(yōu)選及改造355
6.5.5 井下射流割縫復合水力壓裂施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計359
6.5.6 井下射流割縫復合水力壓裂施工工藝要點360
6.6 煤礦井下射流割縫復合水力壓裂評價方法361
6.6.1 瞬變電磁法361
6.6.2 瓦斯含量法365
6.7 參考文獻368
第7章 煤礦井下射流割縫復合水力壓裂現(xiàn)場應(yīng)用370
7.1 射流割縫復合水力壓裂與常規(guī)壓裂對比試驗370
7.1.1 試驗地點概況370
7.1.2 壓裂孔布置方案371
7.1.3 試驗結(jié)果分析373
7.2 石門揭煤射流割縫復合水力壓裂增透抽采技術(shù)376
7.2.1 石門揭煤射流割縫復合水力壓裂增透抽采技術(shù)概述376
7.2.2 石門揭煤射流割縫復合水力壓裂現(xiàn)場試驗376
7.3 掘進條帶射流割縫復合水力壓裂增透抽采技術(shù)387
7.3.1 掘進條帶射流割縫復合水力壓裂增透抽采技術(shù)概述387
7.3.2 掘進條帶射流割縫復合水力壓裂現(xiàn)場試驗388
7.4 本煤層射流割縫復合水力壓裂增透抽采技術(shù)398
7.4.1 本煤層射流割縫復合水力壓裂增透抽采技術(shù)概述398
7.4.2 本煤層射流割縫復合水力壓裂現(xiàn)場試驗399
7.5 參考文獻405
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