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手段。本書從發(fā)展歷史、機理理論、工藝技術、應用實例等方面對液態(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進行了詳細的分析和論述。本書采用不同的視野、不同的角度，向讀者展示了當前不同煤層致裂技術的特點、理論、優(yōu)缺點和適用條件及案例。
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目錄
序
前言
第1章動機、目的與內容 1
1.1煤炭生產的安全問題 1
1.2煤層瓦斯的開采 2
1.3目的 3
1.4內容與結構 3
參考文獻 4
第2章不同地質時期煤的特性 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石炭紀一二疊紀煤的特性 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侏羅紀煤的特性 21
2.7白堊紀煤的特性 26
2.8古近紀和新近紀煤的特性 28
2.9各地質時期煤力學性質的比較 30
參考文獻 35
第3章液態(tài)二氧化碳相變煤層致裂技術 41
3.1液態(tài)二氧化碳相變煤層致裂技術 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系 47
3.3滾態(tài)二氧化碳相變致裂技術的基本原理和技術特征 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在煤礦生產中的用途 52
3.6.1回采工作面淺孔致裂消突 52
3.6.2綜放工作面項煤弱化 53
3.6.3構造應力和／或回采應力導致的巷道底鼓控制 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的TNT當量與計算 55
3.7.1液態(tài)二氧化碳相變致裂當量計算的意義 55
3 .7.2液態(tài)二氧化碳相變TNT當量計算方法 56
3.7.3液態(tài)二氧化碳相變致裂TNT當量的計算結果驗證 59
3.7.4液態(tài)二氧化碳相變的當量計算方法 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理 66
3.9.1高壓氣體聚能切割機理 66
3 .9.2熟膨脹致裂機理 68
3.9.3卸壓增透機理 69
3.9.4振動致裂機理 70
3.10液態(tài)二氧化碳相變煤層致裂技術的優(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計算方法選擇 77
3.10.6模擬結果及分析 77
3.11案例一：液態(tài)二氧化碳相變單點煤層致裂技術的應用 91
3 .11.1平煤集團f‘三礦的瓦斯狀況及治理措施 92
3.11.2液態(tài)二氧化碳相變單點煤層致裂強化增透的應用 93
3.11.3液態(tài)二氧化碳相變致裂技術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致裂技術的應用 104
3.12.1長平礦的地質構造 104
3.12.2長平礦的煤層特征 104
3.12.3三號煤層項底板巖層力學特征 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)二氧化碳相變多點煤層致裂強化增透的應用 107
3.13本章小結 116
參考文獻 116
第4章靜態(tài)爆破煤層致裂 120
4.1靜態(tài)爆破技術及發(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)破碎劑的膨脹機理 124
4.3靜態(tài)破碎劑的破碎機理分析 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被致裂介質剛度對膨脹壓力的影響 1 3 1
4.5靜態(tài)爆破裂隙擴展過程和特征 132
4.5.1脆性巖石的破壞 133
4.5.2準靜態(tài)裂隙擴展 1 34
4.6靜態(tài)爆破技術：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的地方 1 39
4.7靜態(tài)爆破技術的操作安全及防護 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 142
參考文獻 142
第5章爆破煤層致裂技術 144
5.1爆破相關理論 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煤體爆破裂隙擴展特征 166
5.2.1煤層爆破裂隙擴展特征及影響 1 66
5.2.2煤層裂隙的起裂與擴展 1 67
5.2.3影響裂隙擴展的因素 169
5.2.4含瓦斯煤體爆破隙擴展規(guī)律 1 70
5.3爆破煤層致裂技術、工藝與案例 170
5.3.1滌孔預裂爆破煤層致裂技術 1 71
5.3.2聚能爆破煤層致裂技術 1 79
5.3.3松動爆破煤層致裂技術 1 87
5.3.4卸壓爆破與煤層卸壓致裂、增透技術 194
5.3.5本章小結 203
參考文獻 203
第6章高壓水射流切割煤層致裂技術 206
6.1水的基本特性 206
6.2關于高壓水射流技術 207
6.2.1水射流切割技術的分類 207
6.2.2水射流切割工藝的特點 208
6.2.3水射流設備的工作原理 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高壓水射流技術在國外采礦工業(yè)的研究與發(fā)展 209
6.3.2水射流技術在國內采礦工業(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巖體表面壓力分布 221
6.4.4高壓力純水射流切割破巖機理 223
6.4.5水射流切割裂隙作用下煤層卸壓增透機理 225
6.5高壓力純水射流旋轉切割的關鍵技術參數(shù)及優(yōu)化 227
6.5.1噴嘴直徑對切割的影響試驗研究 228
6.5.2壓力對切割的影響試驗研究 229
6.6高壓力純水射流噴嘴幾何結構及參數(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)值模擬計算流程與控制方程 232
6.6.4模擬流體的基本性質和流動狀態(tài) 233
6.6.5噴嘴幾何結構和幾何參數(shù) 234
6.6.6噴嘴幾何模型的建立及邊界條件 234
6.6.7計算方法選擇 236
6.6.8模擬結果及分析 236
6.7寨例一：長鉆孔堅硬（本）煤層強化增透提高瓦斯抽放效率 243
6.8案例二：軟煤層掘進工作面卸壓增透消突提高掘進效率 249
6.8.1水射流人工裂隙對煤層應力的影響 250
6.8.2水切割的消突機理 257
6.8.3水射流煤層切割消突現(xiàn)場試驗 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模型的校準和驗證 266
6.9.5模擬結果與分析 267
6.9.6裂隙閉合機理及對瓦斯抽放的影響 271
6.10本章小結 272
參考文獻 273
第7章水力壓裂煤層致裂技術 276
7.1水力壓裂技術的發(fā)展歷史 276
7.1.1水力壓裂技術在油、氣行業(yè)的發(fā)展歷史 276
7.1.2水力壓裂技術在煤炭行業(yè)的發(fā)展歷史 277
7.2水力壓裂設備 280
7.2.1國外石油行業(yè)水力壓裂設備 280
7.2.2國內煤炭行業(yè)井下煤層壓裂設備 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水力壓裂理論與機理 296
7.5.1煤層水力壓裂機理的發(fā)展 296
7.5.2水力壓裂裂隙的數(shù)學模型 296
7.5.3水力壓裂的破壞準則 299
7.5.4煤層的裂隙分類 300
7.5.5水力壓裂的起裂與擴展 301
7.5.6水力壓裂的起裂、擴展和閉合壓力計算 303
7.5.7影響水力壓裂效果的因素 305
7.6水力壓裂技術與發(fā)展方向 307
7.6.1水力壓裂技術與工程實踐 308
7.6.2媒層水力壓裂技術、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溫室效應問題 332
7.9.5污染與污染物的運移 332
7.9.6對煤層項底板的影響 332
7.10煤層水力壓裂的風險分析 333
7.10.1影響途徑 333
7.10.2風險分析 333
7.11本章小結 335
參考文獻 335
第8章水力沖孔煤層致裂技術 339
8.1概述 339
8.1.1水力沖孔概念 339
8.1.2水力沖孔技術的發(fā)展與應用 339
8.2水力沖孔使用煤層條件 344
8.3水力沖孔技術裝備 348
8.3.1水力沖孔主要設備 348
8.3.2水力沖孔主要設備選型 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)安裝及泵壓調定 358
8.4.4沖孔布置設計 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、瓦斯量的計量 360
8.4.8瓦斯抽放 361
8.4.9消突效果評價指標 361
8.4.10水力沖孔施工工藝優(yōu)化 362
8.5水力沖孔技術參數(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系 366
8.5.3汁孔時問與出煤量的關系 368
8.5.4鉆孔角度與出煤量的關系 369
8.5.5單孔出煤量 369
8.6水力沖孔影響評價 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 386
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