高瓦斯低透气性煤层聚能爆破增透机制

为解决常规爆破增透煤层过程中煤体粉碎严重而裂隙发育不佳的难题，进行了聚能爆破煤层增透技术研究。开展了聚能爆破与常规爆破的混凝土致裂实验，对比分析了爆破后混凝土裂隙开裂程度，同时利用超动态应变仪采集了应变砖应变随时间变化的数据。利用ANSYS/LS-DYNA数值模拟再现了聚能罩压垮运移、聚能射流侵彻混凝土的过程，对比分析了聚能爆破与常规爆破应力波传播特征及内部裂隙扩展过程。最后在平煤十矿进行了聚能爆破与常规爆破的煤层增透试验，对比了爆破后抽采孔瓦斯的体积分数。研究结果表明：聚能爆破后，聚能方向上混凝土的裂纹宽度为1.1 cm，垂直聚能方向上混凝土的裂纹宽度为0.4 cm，而常规爆破后混凝土形成的4条主裂纹的宽度均为约0.3 cm。数值模拟结果显示：聚能爆破混凝土的粉碎区呈“哑铃型”，常规爆破混凝土的粉碎区呈圆形，且聚能爆破混凝土的粉碎区面积小于常规爆破的；而裂隙区呈“纺锤型”，且聚能爆破混凝土的裂隙区面积大于常规爆破的，说明聚能爆破技术可有效解决爆破增透过程中煤体粉碎区严重而裂隙区发育不佳的难题，更有利于致裂增透高瓦斯低透气性煤层。现场试验结果同样显示聚能爆破后瓦斯抽采浓度明显高于常规爆...     

不同应力差条件下超临界CO_2气爆煤岩体气楔作用次生裂纹扩展规律研究

为研究超临界CO_2气爆技术应用于低渗煤岩增透抽采瓦斯和气爆采掘煤岩过程中,爆生气体楔入爆孔周围破裂区产生次生裂缝的规律,利用自主研发的超临界CO_2气爆装置对不同应力差条件下边长为0.4m的立方体煤岩试件进行了气爆致裂实验,得到了气爆冲击荷载作用时不同应力差条件下试件各监测点应变和爆生气体压力时程曲线及爆后试件的分区破裂特征。近孔煤岩破坏由应力波引起,气楔作用产生的拉应力导致远孔次生裂纹扩展,依据实验规律建立了超临界CO_2气爆煤岩体应力波和气楔作用复合破坏机制的力学模型,数值模拟分析了不同应力差条件下爆生气体气楔致裂规律。结果表明:当水平和垂直方向初应力不等时,爆生气体气楔作用使次生裂纹向垂直最小初应力方向偏转;当初应力相等时,次生裂纹沿原方向扩展,随着初应力增加,裂隙扩展长度和张开度减小;数值模拟得到的气体压力时程曲线、试件破坏特征与实验测得的气爆冲击压力时程曲线、试件破坏特征一致;基于爆生气体劈裂模型的数值模拟结果与实验结果吻合。     

单裂隙岩体水力裂缝扩展机理的数值模拟

应用真实破裂过程分析系统软件RFPA2D2.0-Flow,采用细观方法表达岩石材料非均匀特性,建立了渗流-应力-损伤耦合模型;模拟分析了裂隙岩体在具有不同角度、不同长度、天然裂隙中点与井孔之间不同间距的单一天然裂隙条件下的水压致裂过程;通过对模型内拉伸裂缝萌生及扩展的描述,得出了天然裂隙角度、长度、天然裂隙中点与井孔的间距对裂隙岩体内水力裂纹的扩展及与天然裂隙相交模式的影响趋势。模拟分析结果表明:天然裂隙角度对模型稳定性影响较小,但对裂纹扩展模式的影响较大;天然裂隙与井孔间距的减小使模型的失稳水压值随着裂隙角度的增加而逐渐增大,但最大值与间距未减小时基本相同;随着天然裂隙长度的增加,模型的承载能力逐渐减弱,且减弱的幅度逐渐增大。     

修正的拉应力裂纹扩展准则及裂隙\=水压对裂纹扩展的影响

对脆性材料的第一主应力--拉应力裂纹扩展准则进行了补充和修正,修正的裂纹扩展准则能确定裂纹扩展步长.以平面斜置裂纹扩展为例,利用无网格Galerkin方法,对不含裂隙水压的二维裂纹扩展进行数值模拟,计算结果与试验结果一致,表明最大周向拉应力准则的正确性.在不同裂隙水压条件下,研究了二维裂纹初始破裂,并在给定水压下对二维裂纹扩展路径进行了数值模拟跟踪.结果表明裂隙水压对裂纹初始破裂方向、破裂步长、破裂载荷和裂隙岩体破裂强度有显著影响.有水压和无水压的扩展迹线不同,但后续的扩展趋势相同.     

含单裂隙岩体蠕变破裂裂纹扩展演化规律研究

岩体内部存在大量不同尺寸裂隙，形成不同结构形式的裂隙岩体，裂隙的存在会降低岩体的力学性能，对于岩体工程的整体稳定性具有很大的影响。本研究基于滑动翼裂纹模型对恒定载荷下含单裂隙岩体蠕变变形进行了理论推导和分析，基于MAPLE软件直观给出恒定载荷下裂隙角度、长度对蠕变变形的影响，采用连续-非连续数值分析软件GDEM,对预制单裂隙在不同倾角、不同长度情况下岩体的蠕变破裂裂纹扩展进行数值模拟。通过理论分析和数值模拟可以看出，岩体蠕变速率随着裂隙长度的增大而增大；随着裂隙角度的增加出现先增大后减小的趋势，其中裂隙倾角为30°时蠕变速率最大。含单裂隙岩体蠕变破裂裂纹扩展规律的研究可为岩体工程蠕变破裂规律研究及蠕变治理提供一定的理论依据和参考。     

压剪条件下预埋椭圆裂纹三维扩展实验研究

试制出两种不同性质的脆性类岩石材料：透明的低温树脂材料和非透明的砂浆类材料。实验研究了这两种材料内置椭圆形裂隙的三维始裂、扩展过程及其破裂过程中声发射信号特征,并采用三维断裂理论确定了内部裂纹的三维始裂状态。实验结果表明,在单轴压缩荷载作用下,两种材料中内置裂隙初期破裂面形态基本一致,均为一对反对称的包裹状翼裂纹,但初始起裂位置有所不同。透明树脂试样中,初始的新生裂纹几乎在预制裂纹长轴端部附近同时起裂,但起裂点并不在裂隙长轴端部,而在砂浆类材料内的起裂位置则靠近短轴端部,亦不在短轴端部。相同条件下,两种材料的最终破裂状态明显不同,透明树脂试样是以宏观劈拉破裂为主,而砂浆类试样则以宏观剪切破裂为主,这可能与材料性质和三维裂隙的起裂位置不同有关。三维断裂分析结果与实验结果一致。二维简化模型仅为三维模型的主法平面上的特征解,无法反映出III型断裂模式在三维裂隙的起裂和扩展中的作用。三维断裂机制分析应加强对III型断裂模式及其相关的复合模式的深入分析。     

透明类岩石预制裂隙不同赋存方式起裂扩展研究

岩体受压情况下内部裂纹扩展生长将对岩体稳定性产生重要影响,由于无法直接观察真实岩体内部裂纹起裂扩展过程,研制了一种各项性质与真实岩体接近的透明类岩石材料,在其内部预制裂纹并在RMT-150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机上开展单轴压缩力学试验,观察研究其内部裂纹的起裂扩展机理.该方法克服了真实岩石不透明的特点,可以清晰观察到类岩石试件内部的裂纹起裂扩展各阶段的形状及扩展规律.试验中详细观察研究了次生裂纹的起裂扩展规律以及双裂隙试件在不同裂隙间距下的裂纹扩展贯通模式.试验结果表明预制裂隙倾角对次生裂纹的起裂方式将产生一定的影响,双裂隙试件在不同裂隙间距下次生裂纹将呈现不同的扩展贯通模式,实验中观察到了多种形式的裂纹.研究结果同时表明裂隙的存在极大的降低了试件的抗压强度且随着裂隙间距增加试件峰值强度呈降低趋势同时裂隙倾角也对试件的起裂应力产生一定的影响.试验成果对分析真实岩体的破坏失稳机理有着重要的参考价值.     

卸压开采损伤煤岩气体渗透率试验研究

我国煤系地层的煤岩体渗透率普遍较低,直接影响煤矿瓦斯抽采效果。卸压开采使采场围岩受采动应力作用具备了峰后力学行为,其渗透率也大幅度增加,有助于瓦斯的高效抽采。本文基于MTS815.02型电液伺服岩石渗透试验系统,对卸压开采后损伤煤岩的气体渗透率进行了测试。研究表明:(1)卸压损伤煤岩石的渗透率在10-5～10-4 m2之间,较受采动影响前要大107～108倍;(2)卸压过程中,煤样的气体渗透率与围压近似呈线性关系,与岩样呈双曲线关系;(3)卸压损伤煤岩逐渐加围压,气体渗透率近似为线性下降,卸压阶段,其渗透率增加;(4)加卸围压对煤岩的气体渗透率有很大影响。研究结果可为卸压瓦斯高效抽采提供理论依据。     

核主泵主轴表面热疲劳分析与寿命评估

核主泵主轴一般工作在约300℃的温度环境中,但会频繁受到冷却水的瞬态冲击作用,由此产生的热应力容易导致主轴表面产生疲劳裂纹,有效预测核泵主轴的热疲劳寿命意义重大.本文分析了核泵主轴表面在热冲击过程中的瞬态温度场、热应力场等变化规律,用数值模拟方法研究了热冲击的冲击温度、冲击区域半径和表面吸附水膜厚度等参数对热应力和热疲劳寿命的影响,发现热冲击温度、冲击区域半径和表面水膜厚度各因素对冲击表面热应力和疲劳寿命的影响呈现一定规律性,疲劳裂纹将首先发生在材料表面,然后向内部扩展,到达一定深度后止裂.热冲击冷却水温度差对表面热应力和疲劳寿命影响最大,冲击区域尺寸影响最小,表面吸附水膜具有降低热应力提高疲劳寿命的防护作用.     

不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破的数值模拟

在采矿工程、地下交通工程和水利水电工程等岩体开挖工程中,爆破法仍是一种主要的破岩方法. 实际天然岩体中存在的裂隙、节理等不连续面和所处的地应力场环境,都会对爆破荷载传播过程和最终的破碎效果产生重要影响. 本文把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用两个独立的先后作用过程,同时考虑初始应力场的静态作用,建立岩石爆破的力学模型. 基于渗流方程描述爆生气体在爆生裂纹中的传播过程,进而基于流固耦合理论实现爆生气体准静态压力对裂纹尖端的力学作用. 爆炸应力波主要在孔周引起压碎区和径向微裂纹区,随后爆生气体压力楔入径向裂纹尖端,促使裂纹进一步扩展,形成径向主裂纹. 数值模型可以再现孔周压碎区、径向微裂纹区、径向主裂纹区萌生、扩展的完整演化过程. 针对不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破过程的数值模拟结果表明,初始地应力场的压应力作用不利于爆生裂纹的萌生与扩展,但节理的存在对裂纹的扩展具有明显的导向和促进作用,有利于爆生裂纹沿节理面方向的扩展.      

JP-10裂解的激波管实验与动力学模拟

利用单脉冲激波管对碳氢燃料JP-10在1150~1300K条件下的高温热裂解特性进行了实验研究,采用气相色谱法分析热裂解产物并获得了热裂解速率系数.主要裂解产物有乙烯、乙炔、丙烯、丁烯、1,3-丁二烯、环戊二烯、环戊烯、苯、甲苯,以及少量的甲烷、乙烷、二甲苯和甲基环戊烯.将每次激波管实验后所有产物浓度累加, JP-10裂解速率系数由实验测定.为了消除激波运行中非理想性和边界层效应导致反应温度确定的误差,采用对比速率法确定裂解温度,即在反应物中加入少量热解速率已知的内标物,根据内标物在相同的激波管实验条件下的裂解程度确定反应温度.根据内标物裂解量确定的激波管裂解反应温度通常小于采用传统测量激波速度由激波关系计算的反射激波后5区温度.在1200~1300K之间两种方法得到的温度吻合得较好,差异在20K以内,随着温度升高,两者差异增大.在实验研究的基础上,依据San Diego Mechanism对JP-10高温裂解过程进行了动力学模拟.结果显示:主要裂解产物中乙烯、乙炔和1,3-丁二烯产量随温度变化的实验值与San Diego Mechanism的模拟结果有很好的一致性,但环戊烯产量的实验值比模拟值高很多,预示JP-10裂解中完全开环和部分开环反应都是重要的裂解通道.      

页岩储层体积压裂的地应力变化研究

页岩储层属于致密超低渗透储层,需改造形成复杂缝网才有经济产能.体积压裂是页岩储层增产改造的主要措施,而地应力场特别是水平主应力差值是体积压裂的关键控制因素. 理论研究表明:(1)当初始两向水平主应力差较小时,容易形成缝网,反之不易产生缝网;(2)人工裂缝的形成能够改变地层初始应力场. 因此应在前人研究的基础上优化设计压裂方式,以克服和翻转初始水平主应力差值,产生体积缝网.基于此,建立了页岩气藏水平井体积压裂数值模型,模型中采用多孔介质流固耦合单元模拟页岩基质的行为,采用带有孔压的"cohesive"单元描述水力裂缝的性质,模型对"Texas Two-Step" 压裂方法进行了数值模拟,模拟结果得到了压裂过程中地层应力场的分布及其变化,模拟结果和解析公式计算结果吻合良好.模拟结果表明:(1)裂缝的产生减弱了地层应力场的各向异性;(2 对于低水平应力差页岩储层,采用"Texas Two-Step"压裂方法可以产生缝网. 对于采用"Texas Two-Step"压裂方法无法产生缝网的高应力差页岩储层,提出了三次应力"共振" 和四次应力"共振" 压裂方法并进行了数值模拟,模拟结果得到了压裂过程中页岩储层应力场的分布及其变化,得到了缝网形成的区域,模拟结果表明:(1)对于高应力差页岩储层,采用"Texas Two-Step" 压裂方法无法产生缝网;(2)对于高应力差页岩储层,三次应力"共振" 和四次应力"共振"压裂方法是有效的体积压裂缝网形成的方法.      

ADVANCES IN RESEARCH OF HYDRAULIC FRACTURES IN UNCONSOLIDATED SANDS

疏松砂岩水力压裂裂缝的典型特征是大量分支缝、微裂缝和一定钝度的裂缝尖端及剪切带的形成等. 主要通过对相关文献的调研,分析了剪切作用、拉伸作用等对裂缝形态特征（起裂、转向、延伸）等力学行为所产生的影响,通过针对一些疏松砂岩的压裂实验研究发现,其滤失过程主要受到缝尖区域的影响,而且滤失一般发生在裂缝扩展之前. 裂缝缝尖周围的局部应力往往是影响裂缝起裂和裂缝开度的主导参数,裂缝的形态特征则是应力、渗透率、流态等综合作用的结果,对疏松砂岩裂缝形态特征的形成做了进一步的解释.     

Experimental Investigation on Correlation Between Permeability Variation and Pore Structure During Coal Pyrolysis

Transport in porous media with chemical and thermal effects is a common phenomenon; it is also a complicated scientific problem with applications in the field of mining engineering. In situ pyrolysis for coal gas generation is just such a problem, involving material and structural changes in the coal and surrounding rocks, with massive thermal and chemical effects. The transport properties of the coal are substantially changed, which in turn affect the thermal and chemico-mechanical reactions. A series of laboratory experiments on pore structure and permeability changes during gas coal pyrolysis were carried; the experimental procedure and results are described and analyzed in this study. The pore volume and permeability of tested specimens experienced modest changes during the heating process from 20 to 300°C, but when heated from 300 to 400°C, large pores in the specimens greatly increased and the overall porosity reached 23% at 400°C, which is larger than the percolation threshold value of the rock mass with pores and cracks. The permeability of the specimens increased exponentially with temperature, evidencing the massive structural changes that took place in the specimens during the pyrolysis process. In the high temperature range from 400 to 600°C, fewer changes in the specific surface area of microscopic and small pores in the coal took place, but the pore volume and porosity increased linearly with temperature.     

超临界CO2气爆非均质煤体破裂规律模拟研究

为揭示超临界CO2气爆含割理裂隙非均质煤体的致裂规律,开发了识别实际煤体图像获取其割理裂隙几何信息的M atlab程序,将几何信息与煤体非均质物性参数关联并导入Abaqus中,实现了非均质煤体有限元表征,并采用SPH与FEM联合求解的方法模拟超临界CO2气爆非均质煤体的致裂过程,得到了弱面倾角、弱面到爆孔中心距离及初应力的变化对煤体气爆致裂效果的影响规律.模拟结果表明,初应力对主裂缝的萌生和扩展具有导向作用,气爆裂缝沿最大初应力方向扩展;弱面倾角相同时,弱面离爆孔越近,穿过弱面的裂缝尺度和密度越大,弱面离爆孔较远时,弱面完全阻断了裂缝的扩展;弱面到爆孔中心距离相同时,弱面倾角越大,弱面对裂缝扩展的阻碍作用越大,穿过弱面的裂缝尺度和密度越小,应力波透射率越小.现场气爆增透煤体时,应考虑割理裂隙和地应力特征合理布置气爆孔位置及爆破参数.     

FRACTAL DESCRIPTION OF ROCK FRACTURE BEHAVIOR

岩石可压裂性的定量评价是非常规油气资源开采中一个重要且复杂的问题,利用已有岩心实验数据,考虑岩石的岩性及压裂裂隙的分形特征,建立了岩石压裂裂隙的分维数、岩石抗压强度和裂隙面密度之间的定量关系,并根据所采岩心,利用自行开发的软件计算出其压裂后分形维数,验证了裂隙越复杂,分形维数越大. 提出采用压裂裂隙的分维数来表征岩石的可压裂性, 为定量分析和评价岩石可压裂性与储层开采价值提供了一个新的思路.     

页岩气藏压裂缝网扩展数值模拟

为探究页岩气藏水力压裂复杂裂缝网络的形成机理,开展了缝网扩展的数值模拟研究.考虑应力阴影和天然裂缝作用,建立了井筒和裂缝中流体流动模型,利用位移不连续方法求解应力与位移不连续量,然后构建了压力与裂缝宽度的迭代方程,并采用牛顿迭代法求解.通过比较数值解经典模型解析解,验证了模型和迭代解法的正确性.多簇裂缝同步扩展时裂缝间距越小,压裂液分配到各条裂缝越不均匀,靠近井筒跟部的裂缝的分流量越大,从而裂缝宽度越大;考虑天然裂缝作用时,逼近角越小或者应力各向异性越弱,水力裂缝越容易发生转向扩展,裂缝网络越复杂.      

Heat Transfer and Gas Flow through Feed Stream within Horizontal Pipe

In the feeding process, the feed stream forms a moving packed bed of particle from the feedstock in the feed channel. When the feeding is at emergency interruption especially in the case of flooding and uncontrollable discharge, the hot gases from reactor would infiltrate into the feed stream. The high heat penetration into feed stream would affect the feeder performance. In this paper, transient thermal response of feed stream within horizontal pipe is described mathematically with a gas flow and heat transfer model. Influences of varied factors on the thermal penetration into feed stream are examined for different conditions. The temperature of the packed-bed particles and the gas velocity distribution curves are obtained for the feeding service at interruption and at normal operating conditions. The numerical results show that the thermal penetration to the packed-bed particles by the seepage flow fluid is high only in the position near the gas entrance. The thermal penetration depth tends to increase with the seepage flow velocity and decrease with feeding rate. There is no appreciable thermal penetration in the feed stream when the feeding service is at normal running. The operating conditions and the porosity of solid bed have importance effects on the gas velocity and temperature field in the thermal penetration zone. A test system is set up to determine the transient thermal response experimentally for the packed bed of particles within a horizontal pipe. The model results are found to compare favorably with the experimental data.     

基于混合方法的二维水力压裂数值模拟

水力压裂在页岩气开采中被广泛使用,采用数值方法研究压裂机理具有重要意义.基于连续-非连续单元法(CDEM) 和中心型有限体积法(FVM),提出解决水力压裂流固耦合问题的二维混合数值计算模型.该混合模型中,使用CDEM 求解应力场和裂缝扩展过程,使用FVM 求解裂隙渗流场.应力场裂缝扩展和渗流场均使用显式迭代求解, 并通过相互之间数据交换实现流固耦合.通过与KGD 理论模型进行对比, 验证数值模型的正确性.通过与颗粒离散元数值结果进行对比,验证数值模型的有效性.通过计算复杂缝网压裂模型,研究水力压裂机理,并说明该数值模型在水力压裂模拟中具有很好的前景.      

Experimental Method to Simulate Coal Fines Migration and Coal Fines Aggregation Prevention in the Hydraulic Fracture

A simple and effective experimental method is proposed to simulate coal fines migration through the proppant pack; such migration inevitably occurs during the process of fracturing fluid flowback or dewatering and gas production in coalbed methane (CBM) reservoirs. The damage to conductivity caused by coal fines migration in the pack and the factors affecting such migration are analyzed. A dispersion agent of coal fines applicable to hydraulic fracturing in CBM is optimized, consequently solving the problem of coal fines aggregation and retention in the proppant pack. Discharging coal fines with water or water-based fracturing fluid from the proppant pack can be difficult because of the adsorption and hydrophobicity of coal fines. Thus, coal fines are likely to aggregate and be retained in the proppant pack, thereby resulting in pore throat plugging, which causes serious damage to fracture conductivity. Two percent coal fines can reduce propped fracture conductivity by 24.4 %. The mobility and retention of coal fines in the proppant pack are affected by proppant size, proppant type, flowback rate, and coal fines property. When flowback rate exceeds the critical value, coal fines can be discharged from the pack, consequently reducing damage to propped fracture conductivity. More importantly, the steady discharging of coal fines requires steady dewatering and gas production to avoid flow shock, which causes pressure disturbance to drive coal fines in a remote formation. The optimized dispersant FSJ-02 employed in this paper can effectively change the wettability and surface potential of coal fines to improve their suspension and dispersion in water-based fracturing fluid. The recovery rate of coal fines increased by 31.5 %, whereas conductivity increased by 13.3 %.