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Variable frequency of pulse hydraulic fracturing for improving permeability in coal seam

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International Journal of Mining Science and Technology 2013年第6期23卷 847-853页

作者： Li Quangui lin baiquan Zhai Cheng Ni Guanhua Peng Shen Sun Chen Cheng Yanying School of Safety Engineering China University of Mining&Technology

Variable frequency,a new pattern of pulse hydraulic fracturing,is presented for improving permeability in coal seam.A variable frequency pulse hydraulic fracturing testing system was built,the mould with triaxial loading was *** on the monitor methods of pressure sensor and acoustic emission,the trials of two patterns of pulse hydraulic fracturing of single frequency and variable frequency were carried out,and at last fracturing mechanism was *** results show that the effect of variable frequency on fracture extension is better than that of single frequency based on the analysis of macroscopic figures and *** the shortage of single frequency is somewhat remedied when the frequency is *** variable frequency,the pressure process can be divided into three stages:low frequency band,pressure stability band and high frequency band,and rupture pressure of the sample is smaller than that of the condition of single *** on the Miner fatigue theory,the effect of different loading sequences on sample rupture is discussed and the results show that it is better to select the sequence of low frequency at first and then high *** achievements can give a basis for the improvement and optimization of the pulse hydraulic fracturing technology.

关键词： Variable frequency Pulse hydraulic fracturing Fracture AE Fatigue

低透难抽煤层等离子体致裂增透机制及研究进展

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中国矿业大学学报 2023年第6期52卷 1041-1057页

作者：林柏泉张祥良中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学煤矿灾害防控全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116

瓦斯抽采是实现灾害防治与瓦斯资源化利用的根本措施,但我国大多数煤层渗透率低、瓦斯吸附性强、抽采难.以物理放电为基础的等离子体技术,以其快速可控、洁净增渗等特性,在煤层增透领域受到高度关注,对提高瓦斯抽采效率与防治瓦斯灾害... 详细信息

瓦斯抽采是实现灾害防治与瓦斯资源化利用的根本措施,但我国大多数煤层渗透率低、瓦斯吸附性强、抽采难.以物理放电为基础的等离子体技术,以其快速可控、洁净增渗等特性,在煤层增透领域受到高度关注,对提高瓦斯抽采效率与防治瓦斯灾害具有重要应用价值,但其增透机制尚不明确.本文在多年研究工作的基础上,从电破碎的角度出发,回顾了等离子体致裂低渗煤体的发展历程,并从等离子体对煤体微观官能团结构、孔隙结构以及宏观裂隙结构等多个角度出发,深入分析了等离子体击穿煤体的基础理论,并总结了等离子体对煤体内瓦斯的解吸及渗流的影响规律及其主要影响因素,结合笔者所在研究团队多年来的研究工作及国内外最新研究进展,指出了当前等离子体技术在低渗煤层应用中亟待解决的瓶颈问题和方向,并提出了等离子体技术结合其他增透技术联合使用的新思路,在面向深地瓦斯资源开发与灾害防治方面具有重要科学意义.

关键词：低渗煤层等离子体致裂增透瓦斯抽采瓦斯渗流

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开口型管道内瓦斯爆炸冲击波动压的数值模拟

爆炸与冲击 2016年第2期36卷 198-209页

作者：洪溢都林柏泉朱传杰中国矿业大学安全工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

为了研究瓦斯爆炸冲击波的动压演化规律,利用数值模拟软件模拟开口型管道内的爆炸。结果表明:动压与流速在时间上存在较好的对应关系,基本同时出现正向和反向的峰值;动压在3个方向上不仅伴随传播距离的增大而不断增大,也伴随传播时间的... 详细信息

为了研究瓦斯爆炸冲击波的动压演化规律,利用数值模拟软件模拟开口型管道内的爆炸。结果表明:动压与流速在时间上存在较好的对应关系,基本同时出现正向和反向的峰值;动压在3个方向上不仅伴随传播距离的增大而不断增大,也伴随传播时间的延长而增大;沿管道方向(火焰传播方向)上的最大动压值是其他2个方向(管道径向)上的数千倍;相比爆炸超压而言,管道径向上的动压对爆炸破坏效应的影响较小,而沿管道方向上的动压造成的破坏效应不能忽视;验证了动压与流速的平方呈正比关系,同时通过分析给出了动压基于管道几何尺寸和流速的经验公式。

关键词：爆炸力学动压管道尺寸瓦斯爆炸开口型管道流速

双重卸压效应下煤体力学行为响应及对渗透率的影响规律

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煤炭学报 2022年第7期47卷 2656-2667页

作者：刘厅赵洋林柏泉中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室江苏徐州221116

为了揭示煤层气原位开发过程中储层力学行为响应特征及气体渗流规律,基于实验室试验和理论分析研究了双重卸压效应下(同时降气压和卸围压)煤体力学参数的动态演化规律及其对渗透率的控制机制。首先研究了不同卸压路径下煤体渗透率的动... 详细信息

为了揭示煤层气原位开发过程中储层力学行为响应特征及气体渗流规律,基于实验室试验和理论分析研究了双重卸压效应下(同时降气压和卸围压)煤体力学参数的动态演化规律及其对渗透率的控制机制。首先研究了不同卸压路径下煤体渗透率的动态演化规律;其次同步获取了双重卸压下煤体超声波波速及煤体力学参数的变化特征;最后探讨了双重卸压下煤体损伤演化规律及屈服破坏机制。结果表明:①当应力降低梯度dσ_(h)/d plinkenberg效应煤体渗透率随气压的降低略有升高;dσ_(h)/d p>1时,渗透率在初期由于原生裂隙的张开而缓慢增加,后期由于新裂隙的产生而快速升高;②双重卸压过程中煤体声波波速、力学参数以及渗透率之间存在显著的对应关系,波速的变化反映了煤体内部裂隙结构的改变,波速降低表明煤体内部原生裂隙的张开或新裂隙的产生,对应地,煤体动态弹性模量和剪切模量降低,泊松比升高,煤体渗透率升高;③单轴应变条件下,基于孔弹性理论建立的水平应力演化模型与实验室测试结果存在较大偏差,卸压后期理论预测值明显低于试验测试结果,这主要是由于理论模型忽略了煤体损伤引发的弹性模量劣化而导致的;④双重卸压过程中,高dσ_(h)/d p下煤体发生破坏的概率明显高于低dσ_(h)/d p的情况,这是因为高dσ_(h)/d p下煤体垂直和水平有效应力差快速升高,力学强度快速劣化,导致煤体更容易发生屈服破坏。

关键词：煤层气双重卸压渗透率声波波速煤体损伤

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基于动态扩散的煤层多场耦合模型建立及应用

中国矿业大学学报 2018年第1期47卷 32-39,112页

作者：林柏泉刘厅杨威中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室安全工程学院江苏徐州221116

为研究瓦斯抽采过程中煤层瓦斯流场演化规律,本文基于双重孔隙介质的假设,建立了应力场、渗流场和扩散场多场耦合模型,引入了动态扩散系数,使模拟结果更接近实际情况.结果表明:随着测点与钻孔距离的减小,煤层渗透率先减小后增大;瓦斯扩... 详细信息

为研究瓦斯抽采过程中煤层瓦斯流场演化规律,本文基于双重孔隙介质的假设,建立了应力场、渗流场和扩散场多场耦合模型,引入了动态扩散系数,使模拟结果更接近实际情况.结果表明:随着测点与钻孔距离的减小,煤层渗透率先减小后增大;瓦斯扩散系数的衰减系数λ在抽采初期对渗透率空间分布影响不显著,后期随着扩散系数的快速衰减,渗透率空间分布差异变大.当λ≤1×10^(-7)时,渗透率随时间先降低后升高;当λ≥2×10^(-7)时,随时间的增加,渗透率由先降低,再升高,然后再降低的变化趋势转为一直降低.衰减系数越大,裂隙内瓦斯压力衰减越快,基质孔隙压力衰减越慢.采用裂隙压力测得的有效抽采半径随时间增长越来越快,而采用基质孔隙压力测得的有效半径随时间增长逐渐趋于平缓,说明基质孔隙压力是确定钻孔有效抽采半径的合理指标.

关键词：含瓦斯煤气-固耦合双重孔隙介质瓦斯渗流动态扩散

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高压气液两相射流裂纹扩展及致裂机理

中国矿业大学学报 2020年第1期49卷 1-12页

作者：林柏泉王正王瑞中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

随着煤矿开采深度增加和难抽采煤层增多,对高瓦斯突出煤层增透技术的要求也不断提高.通过扫描电镜测试、分形维数分析、动态应变测试以及红外热成像分析等现代化分析测试手段,对高压气液两相射流裂纹扩展及致裂机理进行研究.结果表明:... 详细信息

随着煤矿开采深度增加和难抽采煤层增多,对高瓦斯突出煤层增透技术的要求也不断提高.通过扫描电镜测试、分形维数分析、动态应变测试以及红外热成像分析等现代化分析测试手段,对高压气液两相射流裂纹扩展及致裂机理进行研究.结果表明:在两相射流冲击作用下,煤体裂隙发育明显,孔隙发生破碎并与裂隙相互贯通,煤样按照比表面积计算的分形维数D1平均增加1.98%.在相同射流条件下,煤样直径从2 mm增加到4 mm,周向裂纹出现时的压力阈值从10 MPa增加到了12 MPa.孔隙结构改变及宏观裂纹扩展是高压气相与高压液相共同交互响应的结果.

关键词：高压气液脉动多级致裂

高压气液两相射流多级脉动破煤岩特性及致裂机理

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煤炭学报 2018年第1期43卷 124-130页

作者：林柏泉王瑞乔时和中国矿业大学安全学院江苏徐州211116 一汽-大众汽车有限公司吉林长春130000

为了提高水射流破煤岩性能和卸压增透效果,通过理论分析建立了高压气液两相射流的冲击动压模型,推导出影响其破煤岩性能的关键参数体系。采用自主研发的高压气液两相射流破煤岩试验系统,研究了关键参数对气液两相射流的破煤岩特性的影... 详细信息

为了提高水射流破煤岩性能和卸压增透效果,通过理论分析建立了高压气液两相射流的冲击动压模型,推导出影响其破煤岩性能的关键参数体系。采用自主研发的高压气液两相射流破煤岩试验系统,研究了关键参数对气液两相射流的破煤岩特性的影响规律,结果表明:与纯水射流相比,气液两相射流破煤岩压力阈值降低约50%,破碎深度增加25%,破碎坑直径是纯水射流的2倍,破煤岩效率提高80%以上。煤岩体破碎是气-液-固三相耦合作用的结果:气体的掺入改变射流的结构,产生局部脉动作用,强化了射流破岩能力;高压液相脉动冲击作用激发裂纹起裂,高压气相的多级溃灭作用促进裂纹扩展;气相多级溃灭与液相脉动冲击交替作用,最终使煤岩体裂隙贯通、破坏。

关键词：水射流气液两相破煤岩多级溃灭脉动冲击

循环等离子体击穿受载煤体电学响应及孔隙结构演化规律

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煤炭学报 2023年第4期48卷 1567-1583页

作者：张祥良林柏泉申建朱传杰中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室江苏徐州221008

煤层增透是提高瓦斯高效抽采效率、降低瓦斯灾害事故的关键,以物理放电为基础的等离子体是煤层增透的有效手段之一。但以往的研究集中在单次击穿煤体孔-裂隙结构的表征,忽略了等离子体对煤体的极化效应,对循环等离子体作用下受载煤体电... 详细信息

煤层增透是提高瓦斯高效抽采效率、降低瓦斯灾害事故的关键,以物理放电为基础的等离子体是煤层增透的有效手段之一。但以往的研究集中在单次击穿煤体孔-裂隙结构的表征,忽略了等离子体对煤体的极化效应,对循环等离子体作用下受载煤体电学性质及孔隙结构的演化特征缺乏深入研究。为此,对多个煤样进行了循环等离子体击穿实验,结合高压衰减棒和罗氏线圈监测了击穿煤体过程中的电压、电流波形,并分析了预击穿周期、等离子体击穿周期、波峰个数、峰值电压、峰值电流及能量转化效率等电学参数的变化规律;采用低场核磁共振方法测试了击穿1次、5次、10次、15次、20次条件下小孔、中孔、大孔及微小裂隙的演化规律;结合几何分形理论对击穿煤体渗流孔分形维数进行了探讨。研究结果表明,预击穿周期仅有首次放电是千微秒级别,之后会“断崖式”下降至几十微秒,而等离子体击穿周期则随着击穿次数的增加呈现出“阶梯式”的增长;能量转化效率维持在28.7%~55.9%,呈现出先快速增加后趋于平稳的趋势,说明等离子体对煤体电学性质的极化效应是有限的;煤体内部中孔、大孔的增长幅度最为明显,部分微小裂隙结构会实现从无到有的突破,表明等离子体对瓦斯的渗流会有显著的改善效果;分形维数在击穿后呈现出降低的趋势,则从孔-裂隙空间维度的角度证实了击穿煤体内原本孤立的孔隙结构会被裂隙沟通;孔隙率与能量转化效率变化趋势的相似性表明等离子体对煤体电学性质产生了影响,煤体电学性质发生改变后又会对等离子体通道的分布产生影响。

关键词：孔-裂隙结构电学响应循环等离子体煤层增透瓦斯

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煤矿采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害多场演化研究进展

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煤炭学报 2021年第6期46卷 1715-1726页

作者：林柏泉李庆钊周延煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

我国是采空区复合热动力灾害最为严重的国家之一,探索采空区复合热动力灾害的演化规律对于灾害防治具有极其重要的意义。然而,目前对于复合热动力灾害各灾种间的耦合致灾机理、灾害演化规律、灾害信息探测与辨识等方面的认识尚不够深入... 详细信息

我国是采空区复合热动力灾害最为严重的国家之一,探索采空区复合热动力灾害的演化规律对于灾害防治具有极其重要的意义。然而,目前对于复合热动力灾害各灾种间的耦合致灾机理、灾害演化规律、灾害信息探测与辨识等方面的认识尚不够深入,因此导致煤矿采空区复合热动力灾害的预防及治理尚缺乏有针对性的技术方法。基于此,探讨了我国采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害发生的现状,分析了该领域的国内外最新研究进展,指出采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害具有隐蔽性、耦合型、动态性、复杂性的主要特征,由此导致灾害表现出风险大、辨识难、预警难、防治难的特点。从国内外关于采空区复合热动力灾害多场演化规律的研究平台、多场耦合数学模型、气体体积分数场-温度场-风压场等多场耦合演化规律及其关键影响因素、灾害信息探测技术及采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害的判别方法等角度,系统综述了采空区热动力灾害多场演化规律的最新进展。以此为基础,指出采空区复合热动力灾害亟需在多灾种间的互馈耦合作用机理、多场耦合动态演化规律、复合灾害的关键致灾因素及其临界指标、采空区复合灾害监测-预警-综合防控一体化理论与技术等方面展开进一步的深入研究与探索,研究结果将为采空区复合热动力灾害致灾机理和有效防治技术的研发提供参考。

关键词：煤矿采空区复合热动力灾害煤自燃爆炸多场演化