脉冲爆震波致裂增透与解堵技术基础研究

Most of coal seams in china have disadvantages such as micro-porosity, low permeability and infaust high adsorption. It needs to explore a new technology for permeability enhancement. The electrical pulse detonation wave has instantaneous high energy and strong damage. It has greatly application prospects without regard to lack of theoretical basis. In this study, we will carry out theory analysis, numerical simulation and experiments in order to reveal the electrohydraulic fracturing mechanism and thereafter fracture evolution in coal seam, gas desorption and migration characteristics. We will explore the fracturing mechanism of electrical pulse detonation wave, high pressure induced by breakdown of high-density mist, kinetic characteristics of pulse detonation wave in coal pores and gas migration in radiant fractures with different size. We will also give the assessment menthod of its following fracture evolution and description of critical channel for gas migration. Finally, a new method for permeability enhancement and gas drainage of coal seam can be establishment. The results will be wrtitten as no less than 10 papers published in journals indexed by SCI / EI. We expect that 3 China patents can be authorized. Two graduate students will receive doctoral degree and three master's degree.

我国高瓦斯突出煤层普遍存在微孔隙、低渗透率和高吸附的特征，需要探索新的有效致裂增透技术原理，以物理放电为基础的脉冲爆震波具有瞬时能量高、破坏力强的特点，在煤层致裂增透及裂隙解堵方面具有良好的应用前景，但缺乏相关基础理论依据。本项目拟围绕物理放电脉冲爆震波的产生机理及其作用下煤体内裂隙演化特征、瓦斯解吸与运移规律等方面开展研究工作，探讨物理放电脉冲爆震波对煤体的致裂机理、高密度细水雾击穿爆震效应、煤体微孔内脉冲爆震波冲击动力学特征及钻孔内多尺度辐射状裂隙内瓦斯耦合运移规律，建立在脉冲爆震波作用下煤体内部裂隙特征及演化范围的评价方法，确立物理放电脉冲爆震波作用下瓦斯在煤体裂隙内的关键运移通道判定方法，为改造高瓦斯低透气性煤层的渗透特性及瓦斯抽采过程中的解堵技术提供新的途径。计划发表SCI/EI 检索论文10篇，形成3项专利技术，并培养2名博士和3名硕士。

我国大部分煤层具有微孔隙、低渗透、高吸附的特征，人为的增加裂隙是解决低渗透抽采煤层瓦斯抽采困难的有效措施，脉冲爆震波具有瞬时能量高、破坏力强的特点，是一种有效的煤层致裂增透及裂隙解措施，本项目针对空气环境下高电压放电产生的冲击波对煤体内裂隙演化特征、瓦斯解吸与运移规律进行了研究。主要研究内容：1）搭建了脉冲爆震波致裂增渗实验系统，证明了空气环境下脉冲爆震波致裂煤体的可行性，提出了空气环境下脉冲爆震波致裂煤体时存在沿面击穿和内部击穿两种形式，揭示了脉冲爆震波致裂煤体的宏观和微观破裂特征；2）研究了不同功率脉冲爆震波作用下煤体的破裂特征，阐明了脉冲爆震波功率与煤体孔隙结构改善效果之间的关系，并探讨了煤样直径、煤样含水率、煤样长度以及煤样等级等因素对煤体破碎的影响效果，得出了击穿场强与煤样长度之间的负指数函数关系；3）揭示了脉冲爆震波作用下煤体内纳米级孔隙及宏观裂隙演化范围评价方法，并对脉冲爆震波作用下煤体的裂隙网进行了定量分析；4）确立了单次和多次脉冲爆震波耦合作用下裂隙扩展规律以及起裂形成特征，研究了单次和多次冲击波作用下电流波形的变化规律，明确了峰值电流与脉冲循环次数的关系。5）开展了脉冲爆震波作用下裂隙尺度内瓦斯瓦斯解吸附及渗透性规律研究，建立了脉冲爆震波作用后瓦斯在煤体内的关键运移通道判定方法；6）揭示了脉冲爆震波致裂增透的机理，理论分析了脉冲爆震波致裂煤体的过程，探讨了脉冲爆震波击穿煤体的损伤机制，提出了在煤层增透与解堵领域的设想。项目执行期间累计发表学术论文46篇，与本项目密切相关的SCI/EI论文12篇，授权发明专利4项，授权美国、澳大利亚专利各1项，培养5名博士研究生和7名硕士研究生。项目负责人林柏泉教授荣获全国优秀科技工作者荣誉称号以及全国创新争先奖，项目组成员参加国内学术会议3次，赴美国、澳大利亚进行学术交流3次。