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钻孔注水高压电脉冲致裂瓦斯抽放技术基础研究

李培培  
【摘要】:本文借鉴高压电脉冲应用于石油上的成熟理论和成功经验,基于现有的瓦斯抽放技术的基础上,将应用于瓦斯抽放的钻孔注水技术和应用于石油开采的高压电脉冲技术相结合提出了一种全新的瓦斯抽放方法——钻孔注水高压电脉冲致裂瓦斯抽放方法。 该方法融合了应用于瓦斯抽放的钻孔注水技术及应用于石油开采的高压电脉冲致裂技术,其中对后者的研究是本文的重点。论文首先介绍了液中脉冲放电的物理现象和液中放电成形的规律性,确定了影响液中放电成形效果的主要放电参数,给出了高压电脉冲放电致裂机理,解释了高压电脉冲技术应用于瓦斯抽放的可行性。 其次本文从断裂与损伤力学的角度出发,确定了岩石裂纹扩展的断裂力学模型,分析了在动载荷作用下岩石的损伤断裂成逢机理,建立了动载脉冲作用过程中裂纹的起裂、扩展和止裂判据。就高压电脉冲需通过水介质进行传动的特殊要求,给出了水中冲击波压力传播的时程特征、水中气泡运动的过程及水中冲击波阵面的主要参数以对钻孔注水高压电脉冲致裂过程进行指导。 用ANSYA和LS-DYNA分别对静水压作用下岩石裂缝的变形与扩展及裂缝注水动态脉冲载荷下裂缝的分叉与扩展进行数值模拟,比较在静水压作用下和钻孔注水动态脉冲载荷下岩石裂缝不同的变形与扩展模式,验证了钻孔注水动态脉冲载荷下岩石裂缝具有明显的分叉趋势。通过实验相似模拟,对动态脉冲在有水介质传动和无水介质传动条件下对岩石的破坏效果进行了对比,反映出了钻孔注水动态脉冲载荷对岩石良好的致裂效果,也进一步验证了我们所提出课题的可行性。 总之,钻孔注水高压电脉冲致裂是一种方便且有效的提高煤层渗透性的方法。它不但能使煤层产生杂乱无章微裂纹和层件贯通裂纹,而且其现场施工受地质条件、施工环境及天气条件等因素影响甚微,同时它也是一种绿色、环保、高效的瓦斯抽放方法,具有巨大的推广使用潜力。


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