煤層致裂是煤層瓦斯抽采的一個重要工藝環(huán)節(jié)，是提高煤層瓦斯抽采效率的重要技術(shù)手段。本書從發(fā)展歷史、機(jī)理理論、工藝技術(shù)、應(yīng)用實(shí)例等方面對液態(tài)二氧化碳相變、靜態(tài)爆破、常規(guī)爆破、高壓水射流、水力壓裂和水力沖孔煤層致裂技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和論述。本書采用不同的視野、不同的角度，向讀者展示了當(dāng)前不同煤層致裂技術(shù)的特點(diǎn)、理論、優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件及案例。
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目錄
序
前言
第1章動機(jī)、目的與內(nèi)容 1
1.1煤炭生產(chǎn)的安全問題 1
1.2煤層瓦斯的開采 2
1.3目的 3
1.4內(nèi)容與結(jié)構(gòu) 3
參考文獻(xiàn) 4
第2章不同地質(zhì)時(shí)期煤的特性 5
2.1中國主要含煤地層及瓦斯分布 5
2.1.1中國主要含煤地層分布 5
2.1.2中國煤層瓦斯分布特征 9
2.2早石炭世煤的特性 12
2.3石炭紀(jì)一二疊紀(jì)煤的特性 13
2.4晚二疊世煤的特性 17
2.5晚三疊世煤的特性 20
2.6侏羅紀(jì)煤的特性 21
2.7白堊紀(jì)煤的特性 26
2.8古近紀(jì)和新近紀(jì)煤的特性 28
2.9各地質(zhì)時(shí)期煤力學(xué)性質(zhì)的比較 30
參考文獻(xiàn) 35
第3章液態(tài)二氧化碳相變煤層致裂技術(shù) 41
3.1液態(tài)二氧化碳相變煤層致裂技術(shù) 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變特性 43
3.2.2二氧化碳的熱膨脹 45
3.2.3高壓氣體的釋放過程 46
3 .2.4釋放氣體的壓力與速度的關(guān)系 47
3.3滾態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)的基本原理和技術(shù)特征 47
3.4液態(tài)二氧化碳相變致裂系統(tǒng)的組成 48
3.5液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)裝備的安全性 50
3.5.1加熱管的安全性能 50
3.5.2儲液管的安全性能 50
3.6液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的用途 52
3.6.1回采工作面淺孔致裂消突 52
3.6.2綜放工作面項(xiàng)煤弱化 53
3.6.3構(gòu)造應(yīng)力和／或回采應(yīng)力導(dǎo)致的巷道底鼓控制 53
3.6.4快速石門揭煤 54
3.6.5煤層致裂強(qiáng)化增透提高瓦斯抽放效率 54
3.7液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)的TNT當(dāng)量與計(jì)算 55
3.7.1液態(tài)二氧化碳相變致裂當(dāng)量計(jì)算的意義 55
3 .7.2液態(tài)二氧化碳相變TNT當(dāng)量計(jì)算方法 56
3.7.3液態(tài)二氧化碳相變致裂TNT當(dāng)量的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證 59
3.7.4液態(tài)二氧化碳相變的當(dāng)量計(jì)算方法 63
3.8炸藥的爆容與液態(tài)二氧化碳膨脹氣體體積的比較 63
3.8.1液態(tài)二氧化碳的熱膨脹體積 64
3.8.2炸藥的爆容 64
3.9液態(tài)二氧化碳相變煤層致裂機(jī)理 66
3.9.1高壓氣體聚能切割機(jī)理 66
3 .9.2熟膨脹致裂機(jī)理 68
3.9.3卸壓增透機(jī)理 69
3.9.4振動致裂機(jī)理 70
3.10液態(tài)二氧化碳相變煤層致裂技術(shù)的優(yōu)化 72
3.10.1優(yōu)化方法 72
3.10.2數(shù)值模擬軟件 74
3.10.3數(shù)值模擬控制方程及流程 74
3 .10.4流體特征及流動狀態(tài) 76
3.10.5計(jì)算方法選擇 77
3.10.6模擬結(jié)果及分析 77
3.11案例一：液態(tài)二氧化碳相變單點(diǎn)煤層致裂技術(shù)的應(yīng)用 91
3 .11.1平煤集團(tuán)f‘三礦的瓦斯?fàn)顩r及治理措施 92
3.11.2液態(tài)二氧化碳相變單點(diǎn)煤層致裂強(qiáng)化增透的應(yīng)用 93
3.11.3液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)對煤層瓦斯抽放的短期影響 95
3 .11.4液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)對煤層瓦斯抽放的長期影響特征 96
3 .11.5液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)對煤層瓦斯抽放的作用 98
3 .11.6液態(tài)二氧化碳相變煤層致裂的影響半徑 102
3.12案例二：液態(tài)二氧化碳相變厚煤層多點(diǎn)致裂技術(shù)的應(yīng)用 104
3.12.1長平礦的地質(zhì)構(gòu)造 104
3.12.2長平礦的煤層特征 104
3.12.3三號煤層項(xiàng)底板巖層力學(xué)特征 105
3 .12.4長平礦的瓦斯特征 106
3.12.5采取瓦斯 105
3.12.6礦井瓦斯治理主要方法 106
3 .12.7液態(tài)二氧化碳相變多點(diǎn)煤層致裂強(qiáng)化增透的應(yīng)用 107
3.13本章小結(jié) 116
參考文獻(xiàn) 116
第4章靜態(tài)爆破煤層致裂 120
4.1靜態(tài)爆破技術(shù)及發(fā)展 120
4.1.1靜態(tài)破碎劑的基本性能特征 120
4.1.2國內(nèi)外靜態(tài)破碎劑的研究與發(fā)展 122
4.1.3靜態(tài)破碎劑存在的問題與發(fā)展方向 123
4.2靜態(tài)破碎劑的水化和膨脹機(jī)理 124
4.2.1靜態(tài)破碎劑的水化 124
4.2.2靜態(tài)破碎劑的膨脹機(jī)理 124
4.3靜態(tài)破碎劑的破碎機(jī)理分析 126
4.3.1微裂隙階段 126
4.3.2膨脹壓力傳遞階段 126
4.3.3致裂破壞階段 127
4.4髟響靜態(tài)破碎劑膨脹壓力的因素 129
4.4.1時(shí)問對破碎劑膨脹壓力的影響 129
4.4.2溫度對破碎劑膨脹壓力的影響 129
4.4.3水灰比對破碎劑膨脹壓力的影響 1 30
4.4.4鉆孔尺寸對破碎劑膨脹壓力的影響 1 30
4.4.5充填密度對破碎劑膨脹壓力的影響 1 3 1
4.4.6被致裂介質(zhì)剛度對膨脹壓力的影響 1 3 1
4.5靜態(tài)爆破裂隙擴(kuò)展過程和特征 132
4.5.1脆性巖石的破壞 133
4.5.2準(zhǔn)靜態(tài)裂隙擴(kuò)展 1 34
4.6靜態(tài)爆破技術(shù)：一種安全環(huán)保的煤層／巖層致裂方法 137
4.6.1靜態(tài)爆破煤層致裂的可行性 1 37
4.6.2靜態(tài)爆破的局限和有待改進(jìn)的地方 1 39
4.7靜態(tài)爆破技術(shù)的操作安全及防護(hù) 141
4.7.1靜態(tài)爆破施工的主要危害 141
4.7.2降低靜態(tài)爆破操作中可能造成的危害 141
4.7.3靜態(tài)爆破操作事故的急救措施 142
4.8本章小結(jié) 142
參考文獻(xiàn) 142
第5章爆破煤層致裂技術(shù) 144
5.1爆破相關(guān)理論 144
5.1.1爆炸的定義 144
5.1.2炸藥及分類 145
5.1.3爆炸的描述與特征 148
5.1.4爆破能量及類型 150
5.1.5巖石爆破的力學(xué)特征 151
5.1.6爆破荷載作用下材料的斷裂判據(jù) 153
5.1.7炸藥爆炸后波的傳播特征 156
5.1.8爆破破巖機(jī)理 163
5.1.9炸藥爆炸對煤炭的損傷特性 165
5.2煤體爆破裂隙擴(kuò)展特征 166
5.2.1煤層爆破裂隙擴(kuò)展特征及影響 1 66
5.2.2煤層裂隙的起裂與擴(kuò)展 1 67
5.2.3影響裂隙擴(kuò)展的因素 169
5.2.4含瓦斯煤體爆破隙擴(kuò)展規(guī)律 1 70
5.3爆破煤層致裂技術(shù)、工藝與案例 170
5.3.1滌孔預(yù)裂爆破煤層致裂技術(shù) 1 71
5.3.2聚能爆破煤層致裂技術(shù) 1 79
5.3.3松動爆破煤層致裂技術(shù) 1 87
5.3.4卸壓爆破與煤層卸壓致裂、增透技術(shù) 194
5.3.5本章小結(jié) 203
參考文獻(xiàn) 203
第6章高壓水射流切割煤層致裂技術(shù) 206
6.1水的基本特性 206
6.2關(guān)于高壓水射流技術(shù) 207
6.2.1水射流切割技術(shù)的分類 207
6.2.2水射流切割工藝的特點(diǎn) 208
6.2.3水射流設(shè)備的工作原理 208
6.3高壓水射流在采礦工業(yè)的研究與發(fā)展 209
6.3.1高壓水射流技術(shù)在國外采礦工業(yè)的研究與發(fā)展 209
6.3.2水射流技術(shù)在國內(nèi)采礦工業(yè)的研究與發(fā)展 212
6.4高壓力純水射流煤層鉆割一體技術(shù)裝備及理論 216
6.4.1高壓水射流鉆割一體裝備組成 216
6.4.2純水射流的基本理論 220
6.4.3水射流沖擊力與目標(biāo)巖體表面壓力分布 221
6.4.4高壓力純水射流切割破巖機(jī)理 223
6.4.5水射流切割裂隙作用下煤層卸壓增透機(jī)理 225
6.5高壓力純水射流旋轉(zhuǎn)切割的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及優(yōu)化 227
6.5.1噴嘴直徑對切割的影響試驗(yàn)研究 228
6.5.2壓力對切割的影響試驗(yàn)研究 229
6.6高壓力純水射流噴嘴幾何結(jié)構(gòu)及參數(shù)的優(yōu)化 230
6.6.1數(shù)值模擬方法 230
6.6.2數(shù)值模擬軟件Fluent 231
6.6.3數(shù)值模擬計(jì)算流程與控制方程 232
6.6.4模擬流體的基本性質(zhì)和流動狀態(tài) 233
6.6.5噴嘴幾何結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù) 234
6.6.6噴嘴幾何模型的建立及邊界條件 234
6.6.7計(jì)算方法選擇 236
6.6.8模擬結(jié)果及分析 236
6.7寨例一：長鉆孔堅(jiān)硬（本）煤層強(qiáng)化增透提高瓦斯抽放效率 243
6.8案例二：軟煤層掘進(jìn)工作面卸壓增透消突提高掘進(jìn)效率 249
6.8.1水射流人工裂隙對煤層應(yīng)力的影響 250
6.8.2水切割的消突機(jī)理 257
6.8.3水射流煤層切割消突現(xiàn)場試驗(yàn) 258
6.9高壓水射流切割參數(shù)對裂隙閉合和瓦斯抽放的影響 262
6.9.1關(guān)于煤層人工致裂 262
6.9.2裂隙寬度的閉合特征 263
6.9.3研究方法和數(shù)值模型 263
6.9.4模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證 266
6.9.5模擬結(jié)果與分析 267
6.9.6裂隙閉合機(jī)理及對瓦斯抽放的影響 271
6.10本章小結(jié) 272
參考文獻(xiàn) 273
第7章水力壓裂煤層致裂技術(shù) 276
7.1水力壓裂技術(shù)的發(fā)展歷史 276
7.1.1水力壓裂技術(shù)在油、氣行業(yè)的發(fā)展歷史 276
7.1.2水力壓裂技術(shù)在煤炭行業(yè)的發(fā)展歷史 277
7.2水力壓裂設(shè)備 280
7.2.1國外石油行業(yè)水力壓裂設(shè)備 280
7.2.2國內(nèi)煤炭行業(yè)井下煤層壓裂設(shè)備 281
7.3煤層水力壓裂的壓裂液和添加劑 283
7.3.1煤層水力壓裂的壓裂液 283
7.3.2煤層水力壓裂的添加劑 284
7.4煤層水力壓裂工藝與參數(shù) 291
7.4.1水力壓裂的系統(tǒng)工藝及參數(shù) 292
7.4.2水力壓裂鉆孔施工工藝和參數(shù) 294
7.4.3壓裂工藝參數(shù) 295
7.5水力壓裂理論與機(jī)理 296
7.5.1煤層水力壓裂機(jī)理的發(fā)展 296
7.5.2水力壓裂裂隙的數(shù)學(xué)模型 296
7.5.3水力壓裂的破壞準(zhǔn)則 299
7.5.4煤層的裂隙分類 300
7.5.5水力壓裂的起裂與擴(kuò)展 301
7.5.6水力壓裂的起裂、擴(kuò)展和閉合壓力計(jì)算 303
7.5.7影響水力壓裂效果的因素 305
7.6水力壓裂技術(shù)與發(fā)展方向 307
7.6.1水力壓裂技術(shù)與工程實(shí)踐 308
7.6.2媒層水力壓裂技術(shù)、裝備和科研的發(fā)現(xiàn)方向 312
7.7煤層水力壓裂案例 319
7.7.1案例一：平煤十礦水力壓裂煤層增透強(qiáng)化瓦斯抽放 319
7.7.2案例二：義煤義安煤礦水力壓裂泄壓增透消突 321
7.8水力壓裂裂隙的閉合 325
7.8.1水力壓裂裂隙的閉合機(jī)理簡述 325
7.8.2水力壓裂裂隙閉合對煤層瓦斯抽采的影響 327
7.9煤層水力壓裂對環(huán)境的影響 327
7.9.1誘發(fā)地震 327
7.9.2空氣污染 328
7.9.3對水的影響 329
7.9.4溫室效應(yīng)問題 332
7.9.5污染與污染物的運(yùn)移 332
7.9.6對煤層項(xiàng)底板的影響 332
7.10煤層水力壓裂的風(fēng)險(xiǎn)分析 333
7.10.1影響途徑 333
7.10.2風(fēng)險(xiǎn)分析 333
7.11本章小結(jié) 335
參考文獻(xiàn) 335
第8章水力沖孔煤層致裂技術(shù) 339
8.1概述 339
8.1.1水力沖孔概念 339
8.1.2水力沖孔技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 339
8.2水力沖孔使用煤層條件 344
8.3水力沖孔技術(shù)裝備 348
8.3.1水力沖孔主要設(shè)備 348
8.3.2水力沖孔主要設(shè)備選型 350
8.4水力沖孔的施工工藝 357
8.4.1水力沖孔施工工藝 357
8.4.2裝備選型 357
8.4.3系統(tǒng)安裝及泵壓調(diào)定 358
8.4.4沖孔布置設(shè)計(jì) 359
8.4.5鉆孔施工 360
8.4.6水力沖孔工藝過程 360
8.4.7沖孔煤量、瓦斯量的計(jì)量 360
8.4.8瓦斯抽放 361
8.4.9消突效果評價(jià)指標(biāo) 361
8.4.10水力沖孔施工工藝優(yōu)化 362
8.5水力沖孔技術(shù)參數(shù) 362
8.5.1沖孔壓力及流量現(xiàn)狀分析 363
8.5.2沖孔壓力與出煤量的關(guān)系 366
8.5.3汁孔時(shí)問與出煤量的關(guān)系 368
8.5.4鉆孔角度與出煤量的關(guān)系 369
8.5.5單孔出煤量 369
8.6水力沖孔影響評價(jià) 371
8.6.1瓦斯抽采鉆孔有效影響半徑 371
8.6.2煤體滲透性系數(shù)和鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù) 374
8.6.3沖孔前后瓦斯涌出量 376
8.6.4等效擴(kuò)孔直徑 377
8.7水力沖孔案例 378
8.7.1水力沖孔案例一 378
8.7.2水力沖孔案例二 382
8.8水力沖孔理論研究及發(fā)展趨勢 384
8.8.1球型徑向滲流模型的建立 384
8.8.2基于放礦理論 385
8.8.3存在問題及研究方向 385
參考文獻(xiàn) 386
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