爆轰驱动膨胀介质作用下低透气性煤层强化增透与参数反演

In this research, explosion energy is used to drive expansion media into coal-bed to intensified increase coal-bed's permeability and long-term maintain high permeability of the coal seam, this is an important development of the technology of intensified increase coal-bed's permeability of low permeability and high-gas coal-beds. Taking advantage of 3D hydraulic loading similar materials simulation experimental platform, combining with LS-DYNA software to research the kinetic processes of expansion media in different granularity, sphericity and uniformity driven by explosion energy to crack low permeability coal-bed, and the gas adsorption and desorption characteristics during this processes. Combining with self-developed large-scale coal-rock permeability test system, comparatively analyze the change of coal permeability before and after the explosion. Explore the mechanisms of explosion gas coupling expansion media driving the development of fractures, construct coal damage constitutive model of explosion driven expansion media, reveal dimensions of fractures driven by explosion energy and explosion gas and the propagation and attenuation rules of explosion stress waves in coal-beds, analyze gas desorption and migration rules under the impact of expansion media. Inverse the change rules of permeability of coal-beds with different hardness as the change of granularity, sphericity and uniformity of expansion media. Research results will provide theoretic foundation for intensified increase permeability in low permeability and high-gas coal-beds, and surface wells CBM drainage water - expansion media fracturing technology.

本项目利用爆轰能量将膨胀介质压入煤体从而强化增透并长期保持煤层高透气性，是对低透气性高瓦斯煤层强化增透技术的重要发展。利用具有三维液压加载系统的相似材料模拟实验平台，结合LS-DYNA显式动力学模拟软件研究不同颗粒粒度、球形度和均齐度的膨胀介质在爆轰能量作用下压裂、楔入并撕裂低透气性煤体的动力学过程及在此过程中煤体瓦斯吸附和解吸特性，结合自行研制的大尺度煤岩渗透率测试系统对比分析爆轰撕裂前后煤体渗透率变化规律，探索爆生气体耦合膨胀介质驱动裂隙发育的力学机制，构造爆轰驱动膨胀介质损伤煤体本构模型，揭示爆轰能量和爆生气体驱动膨胀介质撕裂煤体的裂隙尺度和爆生应力波在煤体中的传播和衰减规律，分析瓦斯在膨胀介质作用下解吸和运移规律，反演爆轰作用下不同硬度煤体的透气性随不同粒度、球形度和均齐度膨胀介质的变化规律。研究成果为低透气性高瓦斯煤层爆轰强化增透和地面钻井水-膨胀介质压裂煤层气抽采奠定理论基础。

深孔预裂爆破技术等煤层强化增透技术为提高煤层透气性，从而高效抽采瓦斯提供了可靠的技术方案。但是，该技术虽然产生了较多的裂隙，短期内有效的提高煤层的透气性，但是由于地应力及煤层松软等原因，强化增透技术所生成的裂隙在短期内又迅速闭合，煤层透气性又几乎回复到增透前水平。同时，随着开采深度的增加，地应力也随之增大，而裂隙持续的有效时间随之缩短。因而，如何长期保持强化增透技术所生成的裂隙，从而真正有效的提高煤层透气性，是今后研究的主要方向。本项目利用爆轰能量驱动膨胀介质楔入到煤体中，从而长时间、大幅度的提高煤层的透气性，促进煤层吸附瓦斯的解吸，同时为煤层中的瓦斯抽采提供了必要的通道。.本项目建立了爆破损伤本构方程和爆破过程的SPH-FEM耦合算法，并利用此本构方程和SPH-FEM耦合法对无结合面和有结合面的2种岩石模型的数值模拟计算分析，研究获得了爆轰应力波在高瓦斯煤层中传播特性，揭示了膨胀介质耦合装药特性对爆生应力波能量的影响，研究获得了不同类型不同粒度膨胀介质对煤层增透效果的影响。研究结果表明：高压爆生气体先后经历高压膨胀并冲击孔壁、反射、再压缩、再膨胀冲击孔壁、再反射的反复过程；模拟结果与煤体爆轰实验结果基本吻合，验证了其合理性与正确性。研究表明：在传播距离小于4.8m时，爆轰应力波具有较高的峰值，并迅速衰减，在传播距离大于大约4.8m以后，爆轰应力波峰值较低且衰减幅度逐渐趋于平缓。研究成果为高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破强化增透提供了理论基础。经过反复实验，发现粒径在20-40目之间的膨胀介质对煤体的增透效果最好，20/40目优质陶粒（其均长度和圆角度均为0.7-0.9之间）对煤体的增透效果要优于普通陶粒和石英砂。因而，均长度和圆角度均为0.7-0.9之间，且粒度为20-40之间的陶粒具有最佳的煤层增透效果。.本项目研究成果可以为安全高效抽采煤层瓦斯提供必要的理论和技术支撑。