煤层致裂与瓦斯控制

序
前言
章动机、目的与内容1
1.1煤炭生产的安全问题1
1.2煤层瓦斯的开采2
1.3目的3
1.4内容与结构3
参考文献4
第2章不同地质时期煤的特性5
2.1中国主要含煤地层及瓦斯分布5
2.1.1中国主要含煤地层分布5
2.1.2中国煤层瓦斯分布特征9
2.2早石炭世煤的特性12
2.3石炭纪-二叠纪煤的特性13
2.4晚二叠世煤的特性17
2.5晚三叠世煤的特性20
2.6侏罗纪煤的特性21
2.7白垩纪煤的特性26
2.8古近纪和新近纪煤的特性28
2.9各地质时期煤力学性质的比较30
参考文献35
第3章液态二氧化碳相变煤层致裂技术41
3.1液态二氧化碳相变煤层致裂技术43
3.2二氧化碳的物理特性43
3.2.1二氧化碳的物理和相变特性43
3.2.2二氧化碳的热膨胀45
3.2.3高压气体的释放过程46
3.2.4释放气体的压力与速度的关系47
3.3滚态二氧化碳相变致裂技术的基本原理和技术特征47
3.4液态二氧化碳相变致裂系统的组成48
3.5液态二氧化碳相变致裂技术装备的安全性50
3.5.1加热管的安全性能50
3.5.2储液管的安全性能50
3.6液态二氧化碳相变致裂技术在煤矿生产中的用途52
3.6.1回采工作面浅孔致裂消突52
3.6.2综放工作面项煤弱化53
3.6.3构造应力和/或回采应力导致的巷道底鼓控制53
3.6.4快速石门揭煤54
3.6.5煤层致裂强化增透提高瓦斯抽放效率54
3.7液态二氧化碳相变致裂技术的TNT当量与计算55
3.7.1液态二氧化碳相变致裂当量计算的意义55
3.7.2液态二氧化碳相变TNT当量计算方法56
3.7.3液态二氧化碳相变致裂TNT当量的计算结果验证59
3.7.4液态二氧化碳相变的当量计算方法63
3.8炸药的爆容与液态二氧化碳膨胀气体体积的比较63
3.8.1液态二氧化碳的热膨胀体积64
3.8.2炸药的爆容64
3.9液态二氧化碳相变煤层致裂机理66
3.9.1高压气体聚能切割机理66
3.9.2熟膨胀致裂机理68
3.9.3卸压增透机理69
3.9.4振动致裂机理70
3.10液态二氧化碳相变煤层致裂技术的优化72
3.10.1优化方法72
3.10.2数值模拟软件74
3.10.3数值模拟控制方程及流程74
3.10.4流体特征及流动状态76
3.10.5计算方法选择77
3.10.6模拟结果及分析77
3.11案例一：液态二氧化碳相变单点煤层致裂技术的应用91
3.11.1平煤集团十三矿的瓦斯状况及治理措施92
3.11.2液态二氧化碳相变单点煤层致裂强化增透的应用93
3.11.3液态二氧化碳相变致裂技术对煤层瓦斯抽放的短期影响95
3.11.4液态二氧化碳相变致裂技术对煤层瓦斯抽放的长期影响特征96
3.11.5液态二氧化碳相变致裂技术对煤层瓦斯抽放的作用98
3.11.6液态二氧化碳相变煤层致裂的影响半径102
3.12案例二：液态二氧化碳相变厚煤层多点致裂技术的应用104
3.12.1长平矿的地质构造104
3.12.2长平矿的煤层特征104
3.12.3三号煤层项底板岩层力学特征105
3.12.4长平矿的瓦斯特征106
3.12.5采取瓦斯105
3.12.6矿井瓦斯治理主要方法106
3.12.7液态二氧化碳相变多点煤层致裂强化增透的应用107
3.13本章小结116
参考文献116
第4章静态爆破煤层致裂120
4.1静态爆破技术及发展120
4.1.1静态破碎剂的基本性能特征120
4.1.2国内外静态破碎剂的研究与发展122
4.1.3静态破碎剂存在的问题与发展方向123
4.2静态破碎剂的水化和膨胀机理124
4.2.1静态破碎剂的水化124
4.2.2静态破碎剂的膨胀机理124
4.3静态破碎剂的破碎机理分析126
4.3.1微裂隙阶段126
4.3.2膨胀压力传递阶段126
4.3.3致裂破坏阶段127
4.4髟响静态破碎剂膨胀压力的因素129
4.4.1时问对破碎剂膨胀压力的影响129
4.4.2温度对破碎剂膨胀压力的影响129
4.4.3水灰比对破碎剂膨胀压力的影响130
4.4.4钻孔尺寸对破碎剂膨胀压力的影响130
4.4.5充填密度对破碎剂膨胀压力的影响131
4.4.6被致裂介质刚度对膨胀压力的影响131
4.5静态爆破裂隙扩展过程和特征132
4.5.1脆性岩石的破坏133
4.5.2准静态裂隙扩展134
4.6静态爆破技术：一种安全环保的煤层/岩层致裂方法137
4.6.1静态爆破煤层致裂的可行性137
4.6.2静态爆破的局限和有待改进的地方139
4.7静态爆破技术的操作安全及防护141
4.7.1静态爆破施工的主要危害141
4.7.2降低静态爆破操作中可能造成的危害141
4.7.3静态爆破操作事故的急救措施142
4.8本章小结142
参考文献142
第5章爆破煤层致裂技术144
5.1爆破相关理论144
5.1.1爆炸的定义144
5.1.2炸药及分类145
5.1.3爆炸的描述与特征148
5.1.4爆破能量及类型150
5.1.5岩石爆破的力学特征151
5.1.6爆破荷载作用下材料的断裂判据153
5.1.7炸药爆炸后波的传播特征156
5.1.8爆破破岩机理163
5.1.9炸药爆炸对煤炭的损伤特性165
5.2煤体爆破裂隙扩展特征166
5.2.1煤层爆破裂隙扩展特征及影响166
5.2.2煤层裂隙的起裂与扩展167
5.2.3影响裂隙扩展的因素169
5.2.4含瓦斯煤体爆破隙扩展规律170
5.3爆破煤层致裂技术、工艺与案例170
5.3.1涤孔预裂爆破煤层致裂技术171
5.3.2聚能爆破煤层致裂技术179
5.3.3松动爆破煤层致裂技术187
5.3.4卸压爆破与煤层卸压致裂、增透技术194
5.3.5本章小结203
参考文献203
第6章高压水射流切割煤层致裂技术206
6.1水的基本特性206
6.2关于高压水射流技术207
6.2.1水射流切割技术的分类207
6.2.2水射流切割工艺的特点208
6.2.3水射流设备的工作原理208
6.3高压水射流在采矿工业的研究与发展209
6.3.1高压水射流技术在国外采矿工业的研究与发展209
6.3.2水射流技术在国内采矿工业的研究与发展212
6.4高压力纯水射流煤层钻割一体技术装备及理论216
6.4.1高压水射流钻割一体装备组成216
6.4.2纯水射流的基本理论220
6.4.3水射流冲击力与目标岩体表面压力分布221
6.4.4高压力纯水射流切割破岩机理223
6.4.5水射流切割裂隙作用下煤层卸压增透机理225
6.5高压力纯水射流旋转切割的关键技术参数及优化227
6.5.1喷嘴直径对切割的影响试验研究228
6.5.2压力对切割的影响试验研究229
6.6高压力纯水射流喷嘴几何结构及参数的优化230
6.6.1数值模拟方法230
6.6.2数值模拟软件Fluent231
6.6.3数值模拟计算流程与控制方程232
6.6.4模拟流体的基本性质和流动状态233
6.6.5喷嘴几何结构和几何参数234
6.6.6喷嘴几何模型的建立及边界条件234
6.6.7计算方法选择236
6.6.8模拟结果及分析236
6.7寨例一：长钻孔坚硬（本）煤层强化增透提高瓦斯抽放效率243
6.8案例二：软煤层掘进工作面卸压增透消突提高掘进效率249
6.8.1水射流人工裂隙对煤层应力的影响250
6.8.2水切割的消突机理257
6.8.3水射流煤层切割消突现场试验258
6.9高压水射流切割参数对裂隙闭合和瓦斯抽放的影响262
6.9.1关于煤层人工致裂262
6.9.2裂隙宽度的闭合特征263
6.9.3研究方法和数值模型263
6.9.4模型的校准和验证266
6.9.5模拟结果与分析267
6.9.6裂隙闭合机理及对瓦斯抽放的影响271
6.10本章小结272
参考文献273
第7章水力压裂煤层致裂技术276
7.1水力压裂技术的发展历史276
7.1.1水力压裂技术在油、气行业的发展历史276
7.1.2水力压裂技术在煤炭行业的发展历史277
7.2水力压裂设备280
7.2.1国外石油行业水力压裂设备280
7.2.2国内煤炭行业井下煤层压裂设备281
7.3煤层水力压裂的压裂液和添加剂283
7.3.1煤层水力压裂的压裂液283
7.3.2煤层水力压裂的添加剂284
7.4煤层水力压裂工艺与参数291
7.4.1水力压裂的系统工艺及参数292
7.4.2水力压裂钻孔施工工艺和参数294
7.4.3压裂工艺参数295
7.5水力压裂理论与机理296
7.5.1煤层水力压裂机理的发展296
7.5.2水力压裂裂隙的数学模型296
7.5.3水力压裂的破坏准则299
7.5.4煤层的裂隙分类300
7.5.5水力压裂的起裂与扩展301
7.5.6水力压裂的起裂、扩展和闭合压力计算303
7.5.7影响水力压裂效果的因素305
7.6水力压裂技术与发展方向307
7.6.1水力压裂技术与工程实践308
7.6.2媒层水力压裂技术、装备和科研的发现方向312
7.7煤层水力压裂案例319
7.7.1案例一：平煤十矿水力压裂煤层增透强化瓦斯抽放319
7.7.2案例二：义煤义安煤矿水力压裂泄压增透消突321
7.8水力压裂裂隙的闭合325
7.8.1水力压裂裂隙的闭合机理简述325
7.8.2水力压裂裂隙闭合对煤层瓦斯抽采的影响327
7.9煤层水力压裂对环境的影响327
7.9.1诱发地震327
7.9.2空气污染328
7.9.3对水的影响329
7.9.4温室效应问题332
7.9.5污染与污染物的运移332
7.9.6对煤层项底板的影响332
7.10煤层水力压裂的风险分析333
7.10.1影响途径333
7.10.2风险分析333
7.11本章小结335