煤层致裂是煤层瓦斯抽采的一个重要工艺环节，是提高煤层瓦斯抽采效率的重要技术手段。本书从发展历史、机理理论、工艺技术、应用实例等方面对液态二氧化碳相变、静态爆破、常规爆破、高压水射流、水力压裂和水力冲孔煤层致裂技术进行了详细的分析和论述。本书采用不同的视野、不同的角度，向读者展示了当前不同煤层致裂技术的特点、理论、优缺点和适用条件及案例。
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目录
序
前言
第1章动机、目的与内容 1
1.1煤炭生产的安全问题 1
1.2煤层瓦斯的开采 2
1.3目的 3
1.4内容与结构 3
参考文献 4
第2章不同地质时期煤的特性 5
2.1中国主要含煤地层及瓦斯分布 5
2.1.1中国主要含煤地层分布 5
2.1.2中国煤层瓦斯分布特征 9
2.2早石炭世煤的特性 12
2.3石炭纪一二叠纪煤的特性 13
2.4晚二叠世煤的特性 17
2.5晚三叠世煤的特性 20
2.6侏罗纪煤的特性 21
2.7白垩纪煤的特性 26
2.8古近纪和新近纪煤的特性 28
2.9各地质时期煤力学性质的比较 30
参考文献 35
第3章液态二氧化碳相变煤层致裂技术 41
3.1液态二氧化碳相变煤层致裂技术 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变特性 43
3.2.2二氧化碳的热膨胀 45
3.2.3高压气体的释放过程 46
3 .2.4释放气体的压力与速度的关系 47
3.3滚态二氧化碳相变致裂技术的基本原理和技术特征 47
3.4液态二氧化碳相变致裂系统的组成 48
3.5液态二氧化碳相变致裂技术装备的安全性 50
3.5.1加热管的安全性能 50
3.5.2储液管的安全性能 50
3.6液态二氧化碳相变致裂技术在煤矿生产中的用途 52
3.6.1回采工作面浅孔致裂消突 52
3.6.2综放工作面项煤弱化 53
3.6.3构造应力和／或回采应力导致的巷道底鼓控制 53
3.6.4快速石门揭煤 54
3.6.5煤层致裂强化增透提高瓦斯抽放效率 54
3.7液态二氧化碳相变致裂技术的TNT当量与计算 55
3.7.1液态二氧化碳相变致裂当量计算的意义 55
3 .7.2液态二氧化碳相变TNT当量计算方法 56
3.7.3液态二氧化碳相变致裂TNT当量的计算结果验证 59
3.7.4液态二氧化碳相变的当量计算方法 63
3.8炸药的爆容与液态二氧化碳膨胀气体体积的比较 63
3.8.1液态二氧化碳的热膨胀体积 64
3.8.2炸药的爆容 64
3.9液态二氧化碳相变煤层致裂机理 66
3.9.1高压气体聚能切割机理 66
3 .9.2熟膨胀致裂机理 68
3.9.3卸压增透机理 69
3.9.4振动致裂机理 70
3.10液态二氧化碳相变煤层致裂技术的优化 72
3.10.1优化方法 72
3.10.2数值模拟软件 74
3.10.3数值模拟控制方程及流程 74
3 .10.4流体特征及流动状态 76
3.10.5计算方法选择 77
3.10.6模拟结果及分析 77
3.11案例一：液态二氧化碳相变单点煤层致裂技术的应用 91
3 .11.1平煤集团f‘三矿的瓦斯状况及治理措施 92
3.11.2液态二氧化碳相变单点煤层致裂强化增透的应用 93
3.11.3液态二氧化碳相变致裂技术对煤层瓦斯抽放的短期影响 95
3 .11.4液态二氧化碳相变致裂技术对煤层瓦斯抽放的长期影响特征 96
3 .11.5液态二氧化碳相变致裂技术对煤层瓦斯抽放的作用 98
3 .11.6液态二氧化碳相变煤层致裂的影响半径 102
3.12案例二：液态二氧化碳相变厚煤层多点致裂技术的应用 104
3.12.1长平矿的地质构造 104
3.12.2长平矿的煤层特征 104
3.12.3三号煤层项底板岩层力学特征 105
3 .12.4长平矿的瓦斯特征 106
3.12.5采取瓦斯 105
3.12.6矿井瓦斯治理主要方法 106
3 .12.7液态二氧化碳相变多点煤层致裂强化增透的应用 107
3.13本章小结 116
参考文献 116
第4章静态爆破煤层致裂 120
4.1静态爆破技术及发展 120
4.1.1静态破碎剂的基本性能特征 120
4.1.2国内外静态破碎剂的研究与发展 122
4.1.3静态破碎剂存在的问题与发展方向 123
4.2静态破碎剂的水化和膨胀机理 124
4.2.1静态破碎剂的水化 124
4.2.2静态破碎剂的膨胀机理 124
4.3静态破碎剂的破碎机理分析 126
4.3.1微裂隙阶段 126
4.3.2膨胀压力传递阶段 126
4.3.3致裂破坏阶段 127
4.4髟响静态破碎剂膨胀压力的因素 129
4.4.1时问对破碎剂膨胀压力的影响 129
4.4.2温度对破碎剂膨胀压力的影响 129
4.4.3水灰比对破碎剂膨胀压力的影响 1 30
4.4.4钻孔尺寸对破碎剂膨胀压力的影响 1 30
4.4.5充填密度对破碎剂膨胀压力的影响 1 3 1
4.4.6被致裂介质刚度对膨胀压力的影响 1 3 1
4.5静态爆破裂隙扩展过程和特征 132
4.5.1脆性岩石的破坏 133
4.5.2准静态裂隙扩展 1 34
4.6静态爆破技术：一种安全环保的煤层／岩层致裂方法 137
4.6.1静态爆破煤层致裂的可行性 1 37
4.6.2静态爆破的局限和有待改进的地方 1 39
4.7静态爆破技术的操作安全及防护 141
4.7.1静态爆破施工的主要危害 141
4.7.2降低静态爆破操作中可能造成的危害 141
4.7.3静态爆破操作事故的急救措施 142
4.8本章小结 142
参考文献 142
第5章爆破煤层致裂技术 144
5.1爆破相关理论 144
5.1.1爆炸的定义 144
5.1.2炸药及分类 145
5.1.3爆炸的描述与特征 148
5.1.4爆破能量及类型 150
5.1.5岩石爆破的力学特征 151
5.1.6爆破荷载作用下材料的断裂判据 153
5.1.7炸药爆炸后波的传播特征 156
5.1.8爆破破岩机理 163
5.1.9炸药爆炸对煤炭的损伤特性 165
5.2煤体爆破裂隙扩展特征 166
5.2.1煤层爆破裂隙扩展特征及影响 1 66
5.2.2煤层裂隙的起裂与扩展 1 67
5.2.3影响裂隙扩展的因素 169
5.2.4含瓦斯煤体爆破隙扩展规律 1 70
5.3爆破煤层致裂技术、工艺与案例 170
5.3.1涤孔预裂爆破煤层致裂技术 1 71
5.3.2聚能爆破煤层致裂技术 1 79
5.3.3松动爆破煤层致裂技术 1 87
5.3.4卸压爆破与煤层卸压致裂、增透技术 194
5.3.5本章小结 203
参考文献 203
第6章高压水射流切割煤层致裂技术 206
6.1水的基本特性 206
6.2关于高压水射流技术 207
6.2.1水射流切割技术的分类 207
6.2.2水射流切割工艺的特点 208
6.2.3水射流设备的工作原理 208
6.3高压水射流在采矿工业的研究与发展 209
6.3.1高压水射流技术在国外采矿工业的研究与发展 209
6.3.2水射流技术在国内采矿工业的研究与发展 212
6.4高压力纯水射流煤层钻割一体技术装备及理论 216
6.4.1高压水射流钻割一体装备组成 216
6.4.2纯水射流的基本理论 220
6.4.3水射流冲击力与目标岩体表面压力分布 221
6.4.4高压力纯水射流切割破岩机理 223
6.4.5水射流切割裂隙作用下煤层卸压增透机理 225
6.5高压力纯水射流旋转切割的关键技术参数及优化 227
6.5.1喷嘴直径对切割的影响试验研究 228
6.5.2压力对切割的影响试验研究 229
6.6高压力纯水射流喷嘴几何结构及参数的优化 230
6.6.1数值模拟方法 230
6.6.2数值模拟软件Fluent 231
6.6.3数值模拟计算流程与控制方程 232
6.6.4模拟流体的基本性质和流动状态 233
6.6.5喷嘴几何结构和几何参数 234
6.6.6喷嘴几何模型的建立及边界条件 234
6.6.7计算方法选择 236
6.6.8模拟结果及分析 236
6.7寨例一：长钻孔坚硬（本）煤层强化增透提高瓦斯抽放效率 243
6.8案例二：软煤层掘进工作面卸压增透消突提高掘进效率 249
6.8.1水射流人工裂隙对煤层应力的影响 250
6.8.2水切割的消突机理 257
6.8.3水射流煤层切割消突现场试验 258
6.9高压水射流切割参数对裂隙闭合和瓦斯抽放的影响 262
6.9.1关于煤层人工致裂 262
6.9.2裂隙宽度的闭合特征 263
6.9.3研究方法和数值模型 263
6.9.4模型的校准和验证 266
6.9.5模拟结果与分析 267
6.9.6裂隙闭合机理及对瓦斯抽放的影响 271
6.10本章小结 272
参考文献 273
第7章水力压裂煤层致裂技术 276
7.1水力压裂技术的发展历史 276
7.1.1水力压裂技术在油、气行业的发展历史 276
7.1.2水力压裂技术在煤炭行业的发展历史 277
7.2水力压裂设备 280
7.2.1国外石油行业水力压裂设备 280
7.2.2国内煤炭行业井下煤层压裂设备 281
7.3煤层水力压裂的压裂液和添加剂 283
7.3.1煤层水力压裂的压裂液 283
7.3.2煤层水力压裂的添加剂 284
7.4煤层水力压裂工艺与参数 291
7.4.1水力压裂的系统工艺及参数 292
7.4.2水力压裂钻孔施工工艺和参数 294
7.4.3压裂工艺参数 295
7.5水力压裂理论与机理 296
7.5.1煤层水力压裂机理的发展 296
7.5.2水力压裂裂隙的数学模型 296
7.5.3水力压裂的破坏准则 299
7.5.4煤层的裂隙分类 300
7.5.5水力压裂的起裂与扩展 301
7.5.6水力压裂的起裂、扩展和闭合压力计算 303
7.5.7影响水力压裂效果的因素 305
7.6水力压裂技术与发展方向 307
7.6.1水力压裂技术与工程实践 308
7.6.2媒层水力压裂技术、装备和科研的发现方向 312
7.7煤层水力压裂案例 319
7.7.1案例一：平煤十矿水力压裂煤层增透强化瓦斯抽放 319
7.7.2案例二：义煤义安煤矿水力压裂泄压增透消突 321
7.8水力压裂裂隙的闭合 325
7.8.1水力压裂裂隙的闭合机理简述 325
7.8.2水力压裂裂隙闭合对煤层瓦斯抽采的影响 327
7.9煤层水力压裂对环境的影响 327
7.9.1诱发地震 327
7.9.2空气污染 328
7.9.3对水的影响 329
7.9.4温室效应问题 332
7.9.5污染与污染物的运移 332
7.9.6对煤层项底板的影响 332
7.10煤层水力压裂的风险分析 333
7.10.1影响途径 333
7.10.2风险分析 333
7.11本章小结 335
参考文献 335
第8章水力冲孔煤层致裂技术 339
8.1概述 339
8.1.1水力冲孔概念 339
8.1.2水力冲孔技术的发展与应用 339
8.2水力冲孔使用煤层条件 344
8.3水力冲孔技术装备 348
8.3.1水力冲孔主要设备 348
8.3.2水力冲孔主要设备选型 350
8.4水力冲孔的施工工艺 357
8.4.1水力冲孔施工工艺 357
8.4.2装备选型 357
8.4.3系统安装及泵压调定 358
8.4.4冲孔布置设计 359
8.4.5钻孔施工 360
8.4.6水力冲孔工艺过程 360
8.4.7冲孔煤量、瓦斯量的计量 360
8.4.8瓦斯抽放 361
8.4.9消突效果评价指标 361
8.4.10水力冲孔施工工艺优化 362
8.5水力冲孔技术参数 362
8.5.1冲孔压力及流量现状分析 363
8.5.2冲孔压力与出煤量的关系 366
8.5.3汁孔时问与出煤量的关系 368
8.5.4钻孔角度与出煤量的关系 369
8.5.5单孔出煤量 369
8.6水力冲孔影响评价 371
8.6.1瓦斯抽采钻孔有效影响半径 371
8.6.2煤体渗透性系数和钻孔瓦斯流量衰减系数 374
8.6.3冲孔前后瓦斯涌出量 376
8.6.4等效扩孔直径 377
8.7水力冲孔案例 378
8.7.1水力冲孔案例一 378
8.7.2水力冲孔案例二 382
8.8水力冲孔理论研究及发展趋势 384
8.8.1球型径向渗流模型的建立 384
8.8.2基于放矿理论 385
8.8.3存在问题及研究方向 385
参考文献 386
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