【摘 要】
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煤层气（煤矿瓦斯）既是一种高效清洁的非常规天然气,又是引起煤矿瓦斯事故的根源,我国煤层气资源丰富,但煤层渗透性普遍低导致其抽采率不足40%,超临界CO2气爆技术是实现我国低渗透煤层气安全高效开采的有效技术。天然煤层含有大量的割理弱面使得煤体具有较强的非均质性及各向异性特征,对超临界CO2气爆煤体致裂效果影响显著,本文在团队前期实验基础上,采用理论与数值模拟相结合的方法对超临界CO2气爆含割理弱面煤
【基金项目】
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2多脉冲气爆低渗透煤层抽采瓦斯增产机理研究,国家自然科学基金资助项目（51574137）','0001','ApLJNybhrH-9KFRZ4dAaWaH8MzCi_eP-W7qM2XPLvLZzfZvd1K4loA==');
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煤层气（煤矿瓦斯）既是一种高效清洁的非常规天然气,又是引起煤矿瓦斯事故的根源,我国煤层气资源丰富,但煤层渗透性普遍低导致其抽采率不足40%,超临界CO2气爆技术是实现我国低渗透煤层气安全高效开采的有效技术。天然煤层含有大量的割理弱面使得煤体具有较强的非均质性及各向异性特征,对超临界CO2气爆煤体致裂效果影响显著,本文在团队前期实验基础上,采用理论与数值模拟相结合的方法对超临界CO2气爆含割理弱面煤体破裂规律进行较系统的研究,主要研究工作与取得的成果如下:（1）修正了传统的抗拉压能力近似相同适合于金属类塑性材料的Johnson-Cook动力学损伤本构模型,使该模型能够反映脆性材料抗拉压能力不同的特性,根据实验测得的气爆冲击压力计算得到爆破气体状态方程参数,两者结合建立了超临界CO2气爆煤体冲击动力学模型。（2）基于数字图像方法开发了对实际煤体图像识别处理获取其割理裂隙几何信息的MATLAB程序,将几何信息与含割理弱面煤体物性参数关联并导入ABAQUS中,实现了含割理弱面煤体有限元表征。（3）采用SPH与FEM联合求解的方法模拟了超临界CO2气爆含弱面煤体破裂过程,结合应力波在不同介质界面处的透反射理论,得到了单个弱面倾角、弱面宽度及弱面到爆孔中心距离对气爆裂缝扩展及应力波传播的影响规律:弱面到爆孔中心的距离的越大、弱面倾角越大或弱面宽度越大,弱面对裂缝扩展的阻碍作用越大,应力波透射率越小。（4）模拟了超临界CO2气爆含非贯穿裂隙煤体破裂过程,得到了单条裂隙长度、裂隙中心到爆孔中心距离、应力波入射裂隙的角度以及裂隙中的填充介质对气爆煤体破裂效果的影响规律;应用Python编写了随机分布裂隙的程序,将程序导入ABAQUS软件中,建立了含随机分布多条裂隙煤体的几何表征模型。（5）将数字图像识别处理的建立含割理弱面煤体模型方法应用到超临界CO2多孔气爆煤体的模拟中,先模拟了双孔含弱面煤体的气爆过程,得到两气爆孔间单个弱面不同倾角下对气爆效果的影响规律;其次,按四种布孔方案模拟了布置五个气爆孔煤体的气爆过程,对比分析煤体气爆破裂效果,得到合理布孔方案。该论文有图63幅,表17个,参考文献100篇。
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