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低滲煤層井下水力化增滲理論與技術(shù) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030716668
- 條形碼：9787030716668 ; 978-7-03-071666-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無(wú)
- 重量：暫無(wú)
- 所屬分類：>
低滲煤層井下水力化增滲理論與技術(shù) 本書(shū)特色
本書(shū)可供從事低滲煤層瓦斯(煤層氣)資源開(kāi)發(fā)、煤礦瓦斯災(zāi)害治理等 專業(yè)技術(shù)人員、高校研究生和本科生以及研究院所科研人員等閱讀參考。
低滲煤層井下水力化增滲理論與技術(shù) 內(nèi)容簡(jiǎn)介
煤層增滲是促進(jìn)瓦斯（煤層氣）高效抽采的重要措施，本書(shū)針對(duì)松軟低滲透性煤層瓦斯抽采的難題，采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，闡明了非均勻應(yīng)力場(chǎng)穿層鉆孔三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔及“點(diǎn)”式定向壓裂的增透力學(xué)機(jī)制；運(yùn)用流體力學(xué)、巖體力學(xué)、彈性力學(xué)、機(jī)械工程等多學(xué)科交叉理論，揭示了淹沒(méi)條件下旋轉(zhuǎn)水射流噴嘴的流場(chǎng)特性，優(yōu)化了噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)；提出了三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔技術(shù)、“點(diǎn)”式定向壓裂技術(shù)、水射流與水力壓裂聯(lián)作增透技術(shù)，并開(kāi)展了相關(guān)的工程實(shí)踐工作。 本書(shū)可供從事低滲煤層瓦斯（煤層氣）資源開(kāi)發(fā)、煤礦瓦斯災(zāi)害治理等專業(yè)技術(shù)人員、高校研究生和本科生以及研究院所科研人員等閱讀參考。
低滲煤層井下水力化增滲理論與技術(shù) 目錄
目錄
前言
第1章煤層增滲技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1
1.1煤巖體結(jié)構(gòu)特征及瓦斯流動(dòng)理論研究現(xiàn)狀3
1.1.1煤巖體結(jié)構(gòu)與孔隙、裂隙發(fā)育3
1.1.2煤層瓦斯流動(dòng)理論4
1.1.3煤層瓦斯?jié)B透率及其與應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系6
1.2低透氣性煤層強(qiáng)化抽采技術(shù)研究現(xiàn)狀6
1.3水力化煤層增滲技術(shù)的研究現(xiàn)狀9
1.3.1水力化儲(chǔ)層增滲技術(shù)在石油、天然氣等行業(yè)的研究現(xiàn)狀10
1.3.2煤層增滲與油層增滲的關(guān)系15
1.3.3水力化煤層增滲技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究進(jìn)展16
第2章含瓦斯煤體的結(jié)構(gòu)與滲流性能20
2.1煤體結(jié)構(gòu)20
2.1.1非破壞煤的結(jié)構(gòu)21
2.1.2破壞煤的結(jié)構(gòu)21
2.2煤的裂隙21
2.3煤的孔隙22
2.4煤層瓦斯的運(yùn)移23
2.4.1瓦斯的吸附-解吸過(guò)程24
2.4.2擴(kuò)散過(guò)程26
2.4.3達(dá)西流26
2.4.4煤的吸附瓦斯變形特性26
2.5煤體的滲透性27
2.5.1煤層滲透性的表征27
2.5.2煤層滲透率隨應(yīng)力-應(yīng)變的演化特征28
第3章旋轉(zhuǎn)射流理論及其破煤巖機(jī)理31
3.1淹沒(méi)自由旋轉(zhuǎn)射流的基本理論31
3.1.1旋轉(zhuǎn)射流的產(chǎn)生和旋流數(shù)32
3.1.2旋轉(zhuǎn)射流的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)32
3.1.3旋轉(zhuǎn)射流的理論近似35
3.2鉆孔內(nèi)淹沒(méi)自由旋轉(zhuǎn)射流速度理論解35
3.2.1旋轉(zhuǎn)射流在鉆孔內(nèi)的流動(dòng)條件假設(shè)35
3.2.2微分控制方程36
3.2.3動(dòng)量通量和角動(dòng)量矩通量方程37
3.2.4鉆孔中射流速度求解自相似運(yùn)動(dòng)的積分形式表述38
3.2.5射流邊界的確定42
3.3受限淹沒(méi)條件下旋轉(zhuǎn)射流的速度結(jié)構(gòu)特點(diǎn)42
3.3.1三維時(shí)均速度分布規(guī)律42
3.3.2時(shí)均速度的自相似性質(zhì)48
3.3.3旋轉(zhuǎn)射流動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)52
3.4高壓旋轉(zhuǎn)水射流破巖過(guò)程55
3.4.1旋轉(zhuǎn)水射流破巖特點(diǎn)55
3.4.2旋轉(zhuǎn)水射流孔底流場(chǎng)分布56
3.5高壓旋轉(zhuǎn)水射流破巖機(jī)理58
3.6旋轉(zhuǎn)水射流破巖效果的影響因素61
3.7三維高壓旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔煤層增滲力學(xué)機(jī)制63
3.7.1水射流擴(kuò)孔后鉆孔的空間幾何形態(tài)63
3.7.2煤層段擴(kuò)孔后塑性區(qū)分布的理論計(jì)算63
3.7.3穿層鉆孔煤層段擴(kuò)孔后塑性區(qū)的FLAC3D數(shù)值分析67
3.8高壓旋轉(zhuǎn)水射流割縫煤層增滲機(jī)理70
第4章三維旋轉(zhuǎn)水射流流場(chǎng)的數(shù)值模擬72
4.1高壓旋轉(zhuǎn)水射流噴嘴的設(shè)計(jì)72
4.1.1噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)72
4.1.2旋流強(qiáng)度設(shè)計(jì)73
4.1.3葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)75
4.2模擬軟件PERAANSYS簡(jiǎn)介77
4.3模型的建立79
4.3.1葉輪導(dǎo)向角優(yōu)化模擬方案79
4.3.2噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬方案79
4.4控制方程及邊界條件81
4.4.1淹沒(méi)射流方程81
4.4.2非淹沒(méi)射流方程82
4.4.3計(jì)算條件設(shè)置83
4.4.4三維旋轉(zhuǎn)水射流流速分布特征84
4.5數(shù)值模擬結(jié)果分析92
4.6旋轉(zhuǎn)水射流噴嘴性能的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試95
4.6.1實(shí)驗(yàn)室水射流試驗(yàn)系統(tǒng)95
4.6.2制備試驗(yàn)樣品97
4.6.3試驗(yàn)方案98
4.6.4試驗(yàn)結(jié)果分析98
第5章“點(diǎn)”式定向水力壓裂增滲機(jī)理與工藝101
5.1“點(diǎn)”式定向水力壓裂技術(shù)的基本原理101
5.1.1不同破壞煤體的起裂條件101
5.1.2不同埋深煤層裂紋擴(kuò)展方向106
5.1.3煤層原生裂隙對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響107
5.1.4煤巖界面的裂紋擴(kuò)展特征108
5.1.5控制孔的“松動(dòng)圈”效應(yīng)109
5.1.6非對(duì)稱孔隙壓力的導(dǎo)向作用111
5.1.7“點(diǎn)”式定向水力壓裂的過(guò)程112
5.2“點(diǎn)”式定向水力壓裂數(shù)值模擬114
5.2.1流–固耦合模型并行有限元分析系統(tǒng)簡(jiǎn)介115
5.2.2順層鉆孔“點(diǎn)”式定向水力壓裂的RFPA3D-Flow模擬117
5.2.3穿層鉆孔“點(diǎn)”式定向水力壓裂的三維并行模擬研究121
5.3“點(diǎn)”式定向水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)工藝125
5.3.1“點(diǎn)”式定向水力壓裂的工程意義125
5.3.2順層鉆孔“點(diǎn)”式定向水力壓裂工藝126
5.3.3穿層鉆孔“點(diǎn)”式定向水力壓裂工藝128
5.3.4“點(diǎn)”式定向水力壓裂的選層133
5.3.5注入水壓的預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)133
5.3.6其他參數(shù)設(shè)計(jì)134
5.3.7封孔方法135
5.3.8“點(diǎn)”式定向水力壓裂典型曲線136
5.4“點(diǎn)”式定向水力壓裂裝備137
5.4.1封孔器137
5.4.2移動(dòng)式高壓泵站141
第6章水射流與水力壓裂聯(lián)作增滲機(jī)理142
6.1小直徑穿層鉆孔水力壓裂的理論分析142
6.1.1小直徑鉆孔水力壓裂裂隙的起裂與擴(kuò)展143
6.1.2小直徑鉆孔水力壓裂裂隙擴(kuò)展的影響因素146
6.2水射流擴(kuò)孔后定向壓裂裂隙的起裂機(jī)理150
6.2.1水射流擴(kuò)孔對(duì)水力壓裂裂隙擴(kuò)展的影響151
6.2.2水射流擴(kuò)孔后控制孔的定向?qū)Э刈饔脵C(jī)理152
6.3三維旋轉(zhuǎn)水射流與水力壓裂聯(lián)作增滲數(shù)值分析155
6.3.1模擬軟件簡(jiǎn)介155
6.3.2物理模型157
6.3.3數(shù)值分析方案157
6.3.4數(shù)值模擬結(jié)果分析158
第7章三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔(割縫)裝備研制及地面聯(lián)機(jī)試驗(yàn)187
7.1煤礦現(xiàn)場(chǎng)用噴嘴的設(shè)計(jì)原理187
7.2組合高壓旋轉(zhuǎn)水射流噴頭及噴嘴189
7.3螺旋輔助排渣高壓鉆桿191
7.4回轉(zhuǎn)式高壓旋轉(zhuǎn)接頭193
7.5高壓水泵及配套裝置195
7.6井下高壓水射流作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)199
7.7井下高壓旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔(割縫)系統(tǒng)200
7.7.1井下高壓旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔(割縫)系統(tǒng)的組成200
7.7.2系統(tǒng)研制期間取得的專利200
7.7.3井下移動(dòng)高壓水力泵站系統(tǒng)樣機(jī)地面聯(lián)機(jī)調(diào)試200
第8章三維旋轉(zhuǎn)水射流與水力壓裂聯(lián)作增滲技術(shù)在瓦斯抽采中的應(yīng)用203
8.1三維旋轉(zhuǎn)水射流與水力壓裂聯(lián)作增滲工藝203
8.2三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔與水力壓裂聯(lián)作增滲工藝流程204
8.3增滲效果考察方法206
8.4不同增滲技術(shù)在煤礦瓦斯抽采中的應(yīng)用207
8.4.1三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用207
8.4.2控制孔導(dǎo)控定向水力壓裂技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用211
8.4.3水射流擴(kuò)孔與周邊孔壓裂聯(lián)作增滲技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用215
8.4.4控制孔導(dǎo)控下水射流擴(kuò)中心孔后定向水力壓裂技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用217
參考文獻(xiàn)227
前言
第1章煤層增滲技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1
1.1煤巖體結(jié)構(gòu)特征及瓦斯流動(dòng)理論研究現(xiàn)狀3
1.1.1煤巖體結(jié)構(gòu)與孔隙、裂隙發(fā)育3
1.1.2煤層瓦斯流動(dòng)理論4
1.1.3煤層瓦斯?jié)B透率及其與應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系6
1.2低透氣性煤層強(qiáng)化抽采技術(shù)研究現(xiàn)狀6
1.3水力化煤層增滲技術(shù)的研究現(xiàn)狀9
1.3.1水力化儲(chǔ)層增滲技術(shù)在石油、天然氣等行業(yè)的研究現(xiàn)狀10
1.3.2煤層增滲與油層增滲的關(guān)系15
1.3.3水力化煤層增滲技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究進(jìn)展16
第2章含瓦斯煤體的結(jié)構(gòu)與滲流性能20
2.1煤體結(jié)構(gòu)20
2.1.1非破壞煤的結(jié)構(gòu)21
2.1.2破壞煤的結(jié)構(gòu)21
2.2煤的裂隙21
2.3煤的孔隙22
2.4煤層瓦斯的運(yùn)移23
2.4.1瓦斯的吸附-解吸過(guò)程24
2.4.2擴(kuò)散過(guò)程26
2.4.3達(dá)西流26
2.4.4煤的吸附瓦斯變形特性26
2.5煤體的滲透性27
2.5.1煤層滲透性的表征27
2.5.2煤層滲透率隨應(yīng)力-應(yīng)變的演化特征28
第3章旋轉(zhuǎn)射流理論及其破煤巖機(jī)理31
3.1淹沒(méi)自由旋轉(zhuǎn)射流的基本理論31
3.1.1旋轉(zhuǎn)射流的產(chǎn)生和旋流數(shù)32
3.1.2旋轉(zhuǎn)射流的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)32
3.1.3旋轉(zhuǎn)射流的理論近似35
3.2鉆孔內(nèi)淹沒(méi)自由旋轉(zhuǎn)射流速度理論解35
3.2.1旋轉(zhuǎn)射流在鉆孔內(nèi)的流動(dòng)條件假設(shè)35
3.2.2微分控制方程36
3.2.3動(dòng)量通量和角動(dòng)量矩通量方程37
3.2.4鉆孔中射流速度求解自相似運(yùn)動(dòng)的積分形式表述38
3.2.5射流邊界的確定42
3.3受限淹沒(méi)條件下旋轉(zhuǎn)射流的速度結(jié)構(gòu)特點(diǎn)42
3.3.1三維時(shí)均速度分布規(guī)律42
3.3.2時(shí)均速度的自相似性質(zhì)48
3.3.3旋轉(zhuǎn)射流動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)52
3.4高壓旋轉(zhuǎn)水射流破巖過(guò)程55
3.4.1旋轉(zhuǎn)水射流破巖特點(diǎn)55
3.4.2旋轉(zhuǎn)水射流孔底流場(chǎng)分布56
3.5高壓旋轉(zhuǎn)水射流破巖機(jī)理58
3.6旋轉(zhuǎn)水射流破巖效果的影響因素61
3.7三維高壓旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔煤層增滲力學(xué)機(jī)制63
3.7.1水射流擴(kuò)孔后鉆孔的空間幾何形態(tài)63
3.7.2煤層段擴(kuò)孔后塑性區(qū)分布的理論計(jì)算63
3.7.3穿層鉆孔煤層段擴(kuò)孔后塑性區(qū)的FLAC3D數(shù)值分析67
3.8高壓旋轉(zhuǎn)水射流割縫煤層增滲機(jī)理70
第4章三維旋轉(zhuǎn)水射流流場(chǎng)的數(shù)值模擬72
4.1高壓旋轉(zhuǎn)水射流噴嘴的設(shè)計(jì)72
4.1.1噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)72
4.1.2旋流強(qiáng)度設(shè)計(jì)73
4.1.3葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)75
4.2模擬軟件PERAANSYS簡(jiǎn)介77
4.3模型的建立79
4.3.1葉輪導(dǎo)向角優(yōu)化模擬方案79
4.3.2噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬方案79
4.4控制方程及邊界條件81
4.4.1淹沒(méi)射流方程81
4.4.2非淹沒(méi)射流方程82
4.4.3計(jì)算條件設(shè)置83
4.4.4三維旋轉(zhuǎn)水射流流速分布特征84
4.5數(shù)值模擬結(jié)果分析92
4.6旋轉(zhuǎn)水射流噴嘴性能的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試95
4.6.1實(shí)驗(yàn)室水射流試驗(yàn)系統(tǒng)95
4.6.2制備試驗(yàn)樣品97
4.6.3試驗(yàn)方案98
4.6.4試驗(yàn)結(jié)果分析98
第5章“點(diǎn)”式定向水力壓裂增滲機(jī)理與工藝101
5.1“點(diǎn)”式定向水力壓裂技術(shù)的基本原理101
5.1.1不同破壞煤體的起裂條件101
5.1.2不同埋深煤層裂紋擴(kuò)展方向106
5.1.3煤層原生裂隙對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響107
5.1.4煤巖界面的裂紋擴(kuò)展特征108
5.1.5控制孔的“松動(dòng)圈”效應(yīng)109
5.1.6非對(duì)稱孔隙壓力的導(dǎo)向作用111
5.1.7“點(diǎn)”式定向水力壓裂的過(guò)程112
5.2“點(diǎn)”式定向水力壓裂數(shù)值模擬114
5.2.1流–固耦合模型并行有限元分析系統(tǒng)簡(jiǎn)介115
5.2.2順層鉆孔“點(diǎn)”式定向水力壓裂的RFPA3D-Flow模擬117
5.2.3穿層鉆孔“點(diǎn)”式定向水力壓裂的三維并行模擬研究121
5.3“點(diǎn)”式定向水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)工藝125
5.3.1“點(diǎn)”式定向水力壓裂的工程意義125
5.3.2順層鉆孔“點(diǎn)”式定向水力壓裂工藝126
5.3.3穿層鉆孔“點(diǎn)”式定向水力壓裂工藝128
5.3.4“點(diǎn)”式定向水力壓裂的選層133
5.3.5注入水壓的預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)133
5.3.6其他參數(shù)設(shè)計(jì)134
5.3.7封孔方法135
5.3.8“點(diǎn)”式定向水力壓裂典型曲線136
5.4“點(diǎn)”式定向水力壓裂裝備137
5.4.1封孔器137
5.4.2移動(dòng)式高壓泵站141
第6章水射流與水力壓裂聯(lián)作增滲機(jī)理142
6.1小直徑穿層鉆孔水力壓裂的理論分析142
6.1.1小直徑鉆孔水力壓裂裂隙的起裂與擴(kuò)展143
6.1.2小直徑鉆孔水力壓裂裂隙擴(kuò)展的影響因素146
6.2水射流擴(kuò)孔后定向壓裂裂隙的起裂機(jī)理150
6.2.1水射流擴(kuò)孔對(duì)水力壓裂裂隙擴(kuò)展的影響151
6.2.2水射流擴(kuò)孔后控制孔的定向?qū)Э刈饔脵C(jī)理152
6.3三維旋轉(zhuǎn)水射流與水力壓裂聯(lián)作增滲數(shù)值分析155
6.3.1模擬軟件簡(jiǎn)介155
6.3.2物理模型157
6.3.3數(shù)值分析方案157
6.3.4數(shù)值模擬結(jié)果分析158
第7章三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔(割縫)裝備研制及地面聯(lián)機(jī)試驗(yàn)187
7.1煤礦現(xiàn)場(chǎng)用噴嘴的設(shè)計(jì)原理187
7.2組合高壓旋轉(zhuǎn)水射流噴頭及噴嘴189
7.3螺旋輔助排渣高壓鉆桿191
7.4回轉(zhuǎn)式高壓旋轉(zhuǎn)接頭193
7.5高壓水泵及配套裝置195
7.6井下高壓水射流作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)199
7.7井下高壓旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔(割縫)系統(tǒng)200
7.7.1井下高壓旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔(割縫)系統(tǒng)的組成200
7.7.2系統(tǒng)研制期間取得的專利200
7.7.3井下移動(dòng)高壓水力泵站系統(tǒng)樣機(jī)地面聯(lián)機(jī)調(diào)試200
第8章三維旋轉(zhuǎn)水射流與水力壓裂聯(lián)作增滲技術(shù)在瓦斯抽采中的應(yīng)用203
8.1三維旋轉(zhuǎn)水射流與水力壓裂聯(lián)作增滲工藝203
8.2三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔與水力壓裂聯(lián)作增滲工藝流程204
8.3增滲效果考察方法206
8.4不同增滲技術(shù)在煤礦瓦斯抽采中的應(yīng)用207
8.4.1三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用207
8.4.2控制孔導(dǎo)控定向水力壓裂技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用211
8.4.3水射流擴(kuò)孔與周邊孔壓裂聯(lián)作增滲技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用215
8.4.4控制孔導(dǎo)控下水射流擴(kuò)中心孔后定向水力壓裂技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用217
參考文獻(xiàn)227
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低滲煤層井下水力化增滲理論與技術(shù) 節(jié)選
第1章 煤層增滲技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 我國(guó)煤炭資源豐富，富煤、缺油、少氣是我國(guó)能源賦存結(jié)構(gòu)的基本特征。圖 1-1為 2010～2019年我國(guó)一次能源生產(chǎn)總量構(gòu)成中原煤、原油及天然氣所占比重。圖 1-2為 2010～2019年我國(guó)煤炭生產(chǎn)量 [1]。由圖 1-1可知， 2010～2019年，我國(guó)原煤生產(chǎn)量占一次能源生產(chǎn)總量的 68.6%～77.8%。根據(jù)《能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃綱要 (2004～2020年)》的要求，中國(guó)將堅(jiān)持以煤炭為主體、電力為中心、油氣和新能源全面發(fā)展的戰(zhàn)略。由圖 1-2可以看出， 2010～2019年我國(guó)煤炭生產(chǎn)量呈基本穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)， 2013年全國(guó)煤炭生產(chǎn)量已高達(dá) 39.74億 t，據(jù)預(yù)測(cè) 2030年我國(guó)的煤炭需求量仍將高達(dá) 38億 t。因此，在未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，煤炭仍將是我國(guó)的主要能源 [2]。 圖1-1 2010～2019年我國(guó)一次能源生產(chǎn)總量構(gòu)成中原煤、原油及天然氣所占比重 圖1-2 2010～2019年我國(guó)煤炭生產(chǎn)量 我國(guó)的煤礦約有 91%屬于井工煤礦，其開(kāi)采條件在世界主要產(chǎn)煤國(guó)家中*為復(fù)雜。據(jù)統(tǒng)計(jì) [3，4]，2012年全國(guó)共有煤與瓦斯突出礦井 1191處，高瓦斯礦井 2093處，高、突礦井約占全國(guó)礦井總數(shù)的 26.7%，而國(guó)有大型煤礦中高、突礦井的比例竟高達(dá) 44%以上。隨著煤炭開(kāi)采強(qiáng)度的不斷加大和礦井開(kāi)采深度的逐步加深，煤層瓦斯壓力和瓦斯含量日益增大、地質(zhì)構(gòu)造條件日趨復(fù)雜，高、突礦井的數(shù)量也在不斷增加。 煤礦瓦斯是煤礦井下瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等事故的主要原因之一。煤礦瓦斯事故具有破壞強(qiáng)度大、影響范圍廣等特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。根據(jù)黃繼廣等[5]對(duì) 2009～2018年全國(guó)煤礦各類死亡事故的不完全統(tǒng)計(jì)，在所發(fā)生的各類死亡事故中，共發(fā)生瓦斯事故 722起(占事故總起數(shù)的 10.2%)，瓦斯事故死亡人數(shù)為 3433人(占事故總死亡人數(shù)的 28.1%)。 另外，作為一種高效、優(yōu)質(zhì)的清潔能源，瓦斯近年來(lái)受到各國(guó)越來(lái)越多的關(guān)注。由于開(kāi)發(fā)利用瓦斯資源具有保證煤礦安全生產(chǎn)、改善能源結(jié)構(gòu)和保護(hù)環(huán)境等多重作用，我國(guó)日益重視瓦斯資源的合理開(kāi)發(fā)與利用。目前，世界上共有 74個(gè)國(guó)家蘊(yùn)藏著煤層氣資源，中國(guó)是僅次于加拿大和俄羅斯的全球第三大煤層氣資源國(guó)。根據(jù)國(guó)土資源部(現(xiàn)為自然資源部)2005年的評(píng)價(jià)成果，全國(guó)煤層埋深 2000m以淺的瓦斯總資源量為 36.8l萬(wàn)億 m3，其中可采資源量為 10.87萬(wàn)億 m3，瓦斯資源主要分布在我國(guó)華北和西北地區(qū)[6]。 煤層瓦斯抽采是繼機(jī)械通風(fēng)后在煤礦瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)上的又一次巨大進(jìn)步，是減少礦井風(fēng)排瓦斯量、防治瓦斯災(zāi)害的治本措施。理論研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，瓦斯抽采能降低煤層瓦斯含量和壓力，使煤巖應(yīng)力降低，從而減少煤炭開(kāi)采時(shí)的煤礦瓦斯涌出量或消除煤與瓦斯突出隱患。中外學(xué)者在瓦斯治理方面開(kāi)展了大量研究與實(shí)踐，形成了以瓦斯抽采為主要治理手段的瓦斯治理理論與技術(shù)體系。國(guó)家也先后出臺(tái)了一系列加強(qiáng)煤礦瓦斯防治工作的重要舉措，有力地推動(dòng)了煤礦瓦斯抽采水平的不斷提升。特別是 “十二五 ”以來(lái)，我國(guó)煤礦區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)利用取得了令人矚目的成就，煤層氣產(chǎn)量由 2011年的 115億 m3提高至 2018年的 184億 m3，其中科技進(jìn)步對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)巨大[7]。然而，對(duì)照《煤層氣 (煤礦瓦斯)開(kāi)發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》[8]的發(fā)展目標(biāo)，到 2020年，煤層氣 (煤礦瓦斯)抽采量達(dá)到 240億 m3，其中地面煤層氣產(chǎn)量 100億 m3，煤礦瓦斯抽采 140億 m3。 煤礦瓦斯開(kāi)發(fā)利用量不足的原因主要有勘探投入不足、瓦斯資源賦存條件復(fù)雜、關(guān)鍵技術(shù)有待突破、扶持政策不完善和未落實(shí)及協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)機(jī)制尚不健全等。煤層的滲透性是影響瓦斯開(kāi)發(fā)*主要的自然因素，據(jù)統(tǒng)計(jì) [9]，我國(guó)煤層滲透率的變化范圍為 0.002～16.17mD①，平均為 1.273mD，其中滲透率小于 1.0mD的煤層占 72%，這說(shuō)明我國(guó)煤層滲透率普遍較低。另外，我國(guó)煤礦開(kāi)采地質(zhì)條件非常復(fù)雜，埋深在 1000m以下的煤層占我國(guó)煤炭資源總量的 53%，隨著開(kāi)采深度的不斷增加，我國(guó)大部分煤礦的主采煤層是低透氣性、高瓦斯開(kāi)采煤層。提高透氣性是解決我國(guó)低滲煤層瓦斯抽采難題的關(guān)鍵。因此，致力于深部低滲煤層增滲關(guān)鍵技術(shù)與裝備的研發(fā)勢(shì)在必行。 1.1 煤巖體結(jié)構(gòu)特征及瓦斯流動(dòng)理論研究現(xiàn)狀 1.1.1 煤巖體結(jié)構(gòu)與孔隙、裂隙發(fā)育 煤巖體的結(jié)構(gòu)和孔隙、裂隙發(fā)育特征是研究瓦斯或水在煤巖層中的賦存狀態(tài)和流動(dòng)特性的基礎(chǔ)。煤的抗變形能力遠(yuǎn)低于其他巖石，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代過(guò)程中受多期構(gòu)造作用的影響與破壞，形成不同的煤體結(jié)構(gòu)。徐耀奇等[10]、袁崇孚[11]、曹代勇等[12]、Zhang等[13]、琚宜文等 [14]、王恩營(yíng) [15]等分別從不同方面對(duì)煤巖體的破壞程度、類型以及特性進(jìn)行了研究。目前*常用的煤體結(jié)構(gòu)劃分方式是《煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范》中所采用的五分法 [16]，即將煤體結(jié)構(gòu)分為 5類：Ⅰ類非破壞煤、Ⅱ類破壞煤、Ⅲ類強(qiáng)烈破壞煤、Ⅳ類粉碎煤和Ⅴ類全粉煤。 霍多特[17]、Gan等[18]、劉常洪[19]、蘇現(xiàn)波[20]、傅雪海等 [21]、Jüntgen[22]等國(guó)內(nèi)外學(xué)者，分別對(duì)煤的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類，從各種分類結(jié)果來(lái)看，微孔和小孔的劃分結(jié)果與霍多特的劃分結(jié)果基本一致，而中孔及大孔的劃分結(jié)果與霍多特的劃分結(jié)果差距較大，有時(shí)甚至相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)。郝琪 [23]、張慧 [24]、朱興珊 [25]等采用電子掃描技術(shù)，分析了煤的孔隙分類與成因。 煤巖體裂隙的發(fā)育程度和連通性直接決定煤層滲透性。我國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤裂隙描述方法》 (MT/T 968—2005)[26]指出煤裂隙是煤受各種應(yīng)力作用產(chǎn)生的破裂形跡。按照裂隙的成因可將其分為內(nèi)生和外生裂隙。國(guó)外的 Warren和 Root[27]、 Ammsove和 Eremin[28]、Stach等[29]、Gash等[30]、Close[31]、Levine[32]、Laubach等[33]，以及國(guó)內(nèi)的傅雪海等[34]、張新民等[35]、李強(qiáng)等[36]對(duì)煤儲(chǔ)層裂隙的發(fā)育進(jìn)行了研究。內(nèi)生裂隙的發(fā)育特征往往受到煤階、煤巖組分 [37，38]、灰分等因素影響。 Ammsove和 Eremin[28]認(rèn)為靜壓裂隙密度隨煤級(jí)增加基本呈正態(tài)分布；Levine[32]發(fā)現(xiàn)靜壓裂隙密度隨煤級(jí)增高而增加，在反射率為 1.3%左右時(shí)*大，此后隨煤級(jí)增高靜壓裂隙密度不變。趙愛(ài)紅等[39]分析了煤巖成分、煤的變質(zhì)程度對(duì)煤孔隙結(jié)構(gòu)的影響。在灰分方面，一般認(rèn)為靜壓裂隙常始于煤層灰分顯著變化處或者煤巖的微裂縫處 [40]。 Menger海綿模型可以用來(lái)模擬煤巖體孔隙特性[41]。王恩元和何學(xué)秋[42]提出用煤層的孔隙分形規(guī)律計(jì)算煤層的孔隙率和煤的比表面積。 1.1.2 煤層瓦斯流動(dòng)理論 瓦斯在煤層中的運(yùn)移和流動(dòng)理論是煤礦瓦斯抽采和地面煤層氣開(kāi)發(fā)的理論基礎(chǔ)。煤層瓦斯的流動(dòng)涉及瓦斯的吸附、解吸、滲流、煤巖體變形等多個(gè)物理過(guò)程，瓦斯的產(chǎn)出可以概括為一個(gè)連續(xù)的解吸→擴(kuò)散→滲流過(guò)程，基于對(duì)煤層瓦斯不同流動(dòng)狀態(tài)的描述，形成了瓦斯擴(kuò)散理論、線性瓦斯流動(dòng)理論、非線性瓦斯流動(dòng)理論、瓦斯?jié)B流-擴(kuò)散理論和多場(chǎng)多相耦合流動(dòng)理論等。 1)瓦斯擴(kuò)散理論 瓦斯在煤體中主要以吸附態(tài)和游離態(tài)兩種狀態(tài)賦存，菲克(Fick)定律把流體擴(kuò)散速度與其濃度梯度聯(lián)系起來(lái)，認(rèn)為瓦斯由吸附態(tài)向游離態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程符合線性擴(kuò)散定律。Germanovich[43]從擴(kuò)散角度研究了煤層中吸附瓦斯的解吸過(guò)程。 Airey[44]建立了破碎煤樣瓦斯解吸量隨時(shí)間變化呈指數(shù)關(guān)系衰減的經(jīng)驗(yàn)公式。 King和 Ertekin[45]建立了煤層氣井產(chǎn)量的指數(shù)衰減公式。在國(guó)內(nèi)，王佑安和樸春杰 [46]提出了確定煤層瓦斯含量的瓦斯解吸速度法。楊其鑾和王佑安 [47，48]指出煤屑內(nèi)瓦斯運(yùn)動(dòng)基本符合線性擴(kuò)散定律。聶百勝等 [49]根據(jù)氣體在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散模式，結(jié)合煤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究了瓦斯在煤孔隙中的擴(kuò)散機(jī)理與模式。郭勇義和吳世躍 [50，51]研究了煤粒瓦斯擴(kuò)散規(guī)律及擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定方法。 2)線性瓦斯流動(dòng)理論 線性瓦斯流動(dòng)理論的研究*早要追溯到 20世紀(jì) 40年代末，蘇聯(lián)學(xué)者應(yīng)用達(dá)西定律-線性滲透規(guī)律描述煤層內(nèi)的瓦斯流動(dòng)，開(kāi)創(chuàng)性地研究了考慮瓦斯吸附性質(zhì)的瓦斯?jié)B流問(wèn)題。1965年，周世寧和孫輯正 [52]把多孔介質(zhì)煤層視為大尺度均勻分布的虛擬連續(xù)介質(zhì)，首次提出了基于達(dá)西定律的線性瓦斯流動(dòng)理論，目前廣泛用于測(cè)定煤層透氣性系數(shù)的“鉆孔瓦斯流量法”就是基于該理論發(fā)明的。郭勇義 [53]結(jié)合相似理論，將瓦斯的等溫吸附量用朗繆爾(Langmuir)方程描述，提出了修正的瓦斯流動(dòng)方程。余楚新和鮮學(xué)福 [54]在假設(shè)煤體瓦斯吸附與解吸過(guò)程可逆的條件下，建立了煤層瓦斯流動(dòng)理論以及滲流控制方程。孫培德 [55，56]完善了均質(zhì)煤層的瓦斯流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，并發(fā)展了非均質(zhì)煤層的瓦斯流動(dòng)數(shù)學(xué)模型。黃運(yùn)飛和孫廣忠[57]應(yīng)用達(dá)西滲流定律提出了“煤-瓦斯介質(zhì)力學(xué)”。 3)非線性瓦斯流動(dòng)理論 人們?cè)谙锏馈€@孔的實(shí)際瓦斯涌出規(guī)律中發(fā)現(xiàn)，瓦斯在煤體內(nèi)的滲流并不總是線性的。孫培德 [58]基于冪定律的推廣形式，建立了可壓縮性氣體在煤層內(nèi)流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。羅新榮[59，60]基于克林肯貝格 (Klinkenberg)效應(yīng)的修正達(dá)西定律，指出了達(dá)西定律的適用范圍，并提出了非線性瓦斯?jié)B流規(guī)律以及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。國(guó)外的 Tek[61]、Das[62]和國(guó)內(nèi)的吳凡等[63]、任曉娟等 [64]、周克明等 [65]在研究低滲透油氣滲流過(guò)程中，認(rèn)為低滲透氣體運(yùn)移存在啟動(dòng)壓力梯度，在用達(dá)西定律描述氣體滲流時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行修正。郭紅玉 [66]通過(guò)測(cè)定煤儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度，建立了啟動(dòng)壓力梯度與滲透率之間的關(guān)聯(lián)模型，并將煤儲(chǔ)層瓦斯流動(dòng)流態(tài)劃分為線性滲流、低速非線性滲流和擴(kuò)散 3種類型。 4)瓦斯?jié)B流-擴(kuò)散理論 隨著對(duì)瓦斯流動(dòng)理論研究的不斷深入，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)研究人員認(rèn)為瓦斯在煤層內(nèi)的流動(dòng)是滲流和擴(kuò)散兩種運(yùn)動(dòng)形式的結(jié)合，即煤層瓦斯?jié)B流 -擴(kuò)散理論。1987 年，Saghfi和 William[67]從滲流力學(xué)和擴(kuò)散力學(xué)的角度出發(fā)，提出了瓦斯?jié)B流-擴(kuò)散的動(dòng)力模型，并成功地進(jìn)行了數(shù)值模擬。孫培德 [58]認(rèn)為煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)的實(shí)質(zhì)是非均質(zhì)的各向異性孔隙 -裂隙雙重介質(zhì)中可壓縮流體滲流 -擴(kuò)散的非穩(wěn)定的混合流動(dòng)。段三明和聶百勝 [68]借助傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)，對(duì)瓦斯的解吸過(guò)程進(jìn)行了理論推導(dǎo)，建立了瓦斯?jié)B流-擴(kuò)散方程。吳世躍和郭勇義[69，70]依據(jù)第三類邊界傳質(zhì)的原理，建立滲流 -擴(kuò)散的微分方程組。周世寧和林柏泉 [71]所著的《煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論》系統(tǒng)地闡述了煤層瓦斯?jié)B流 -擴(kuò)散理論。 Anbarci和 Ertekin[72]與 Kolesar等[73]從煤層氣開(kāi)發(fā)的角度出發(fā)，對(duì)單相煤層氣滲流的試井分析進(jìn)行了研究。孔祥言 [74]也對(duì)煤儲(chǔ)層瓦斯的滲流和擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了描述，并建立了相應(yīng)的數(shù)理方程。唐巨鵬等[75]研究了有效應(yīng)力對(duì)煤層氣解吸滲流的影響。尹光志等 [76]研究了瓦斯壓力與煤體滲流特性的關(guān)系。覃建華等 [77]采用理論分析方法建立了滑脫效應(yīng)影響的低滲透儲(chǔ)層煤層氣運(yùn)移數(shù)學(xué)模型。 5)多場(chǎng)多相耦合流動(dòng)理論 煤層瓦斯?jié)B流處于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境當(dāng)中，會(huì)受到地應(yīng)力場(chǎng)、地溫場(chǎng)、地電場(chǎng)等地球物理場(chǎng)的影響[78]，瓦斯在儲(chǔ)層中的運(yùn)移過(guò)程是上述物理場(chǎng)以及變形場(chǎng)、滲流場(chǎng)間的動(dòng)態(tài)流-固耦合過(guò)程。國(guó)外的 Ettinger[79]系統(tǒng)研究了瓦斯煤體系統(tǒng)的膨脹應(yīng)力與瓦斯突出的關(guān)系。 Gwwuga[80]、Khodot[81]、Harpalani[82]等在實(shí)驗(yàn)條件下研究了在地球物理場(chǎng)中含氣煤樣的力學(xué)性質(zhì)以及煤巖體與瓦斯?jié)B流之間的固-氣力學(xué)效應(yīng)。Borisenk
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