高压逾裂混合式煤层注水理论与应用

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利用理论分析、数值模拟、实验测试、现场应用相结合的方法,通过对高压逾裂混合式煤层注水理论及工艺技术的研究,以形成针对综放工作面较为系统的注水知识体系。  通过水力压裂裂缝的产生布展形态、注水压裂破煤理论及卸压增透作用的分析,形成了水力致裂增透理论,建立了水力致裂的破坏准则;依据高压注水压裂裂隙弱面扩展延伸的机理,进行了弱面扩展延伸力学分析并推导出了弱面端部扩展延伸的力学条件;而后对水力压裂动静交变加载描述方式进行研究,得出动、静态杨氏模量随围压的变化趋势相同但弹性参数存在差别,静态杨氏模量约为动态的1/2,煤体的动、静态泊松比近似相等,进而确立了煤层高压注水水力致裂的基本理论体系。根据MTS815.03电液伺服岩石试验系统配置制定了注水煤层基本力学实验研究方案,通过力学实验得出其基本力学参数及注水作用下煤岩的力学性能变化规律,得出了含水状态煤岩试件的单轴抗压强度、弹性模量、破坏载荷、硬度系数、泊松比、抗拉强度参数均低于自然状态下煤岩试件的结论。由三轴压缩实验得出了压缩全应力应变曲线和饱水状态试件围压与最大主应力差的关系式,并通过煤体渗透特性试验得出了试样全应力—应变过程的渗透率曲线。构建了煤体渗流—应力—损伤耦合模型、逾裂渗透多孔隙介质基础模型和煤层高压注水数学模型,并利用FLUENT软件模拟出了不同钻孔长度、不同布置方式及不同压力条件下水在煤层中的渗流压力场、速度场分布情况以及煤体水分增加情况。模拟结果得出,钻孔在高压力条件下,水压作用范围明显大于低压条件下的作用范围,长钻孔注水比短钻孔的注水压力作用范围扩大、水压衰减程度降低;同等条件下,双向钻孔比单向钻孔注水渗流速度大,煤层高压注水湿润煤体能力与范围高于低压状态,80m相比50m长度钻孔的注水渗流速度相对较小,但对煤层具有较广的渗流作用范围,双向煤层注水布置方式在湿润煤体范围上要强于单向煤层注水布置方式。  根据实验室测试与数值模拟结果,依据煤层不同应力分布区域将工作面煤体沿走向方向划分为静压区动压注水区域与动压区静压注水区域两个不同类型的注水区域,针对兖州煤业东滩煤矿1305综放工作面和天安矿业星村煤矿E3101综放工作面现场实际条件,研制了“静压区动压注水与动压区域静压注水”相结合的高压逾裂混合式煤层注水工艺技术,现场应用后,取得了较好的降尘、防冲效果。
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