气体清洁能源是我国能源发展战略选择,煤层气是我国目前最为现实且储量丰富的清洁气源。为解决煤层渗透率低而制约我国煤层气产量快速增长的问题,提出利用超临界态CO2作为物理爆破源的气爆低渗透煤层增透技术。论文采用实验、理论和数值模拟相结合方法较系统地开展了超临界CO2气爆低渗透煤层致裂增透规律研究,主要研究工作和取得的成果如下:(1)研发了超临界CO2多脉冲气爆装置,为得到煤岩固有物理力学属性下气爆致裂规律,在电液伺服物理模拟试验台上进行煤和混凝土试件不加载条件下超临界CO2气爆致裂实验,用动态应变采集系统监测气爆过程中试件内部的变形和破坏信息,得到气爆后试件的破坏特征分为粉碎区、裂隙区和震动区,揭示了各分区的形成机理:气爆孔周围介质在远超自身抗压强度的冲击载荷作用下,发生粉碎性破坏而形成粉碎区;衰减后的应力波产生的环向拉应力使脆性介质发生拉破坏而形成径向裂隙,在CO2气楔的准静态加载作用下,裂隙进一步扩展形成裂隙区;裂隙区以外的介质在低能量应力波作用下主要发生震动,形成震动区。(2)研制了可抗气爆冲击真三轴应力加载室,开展了不同初始压应力条件下超临界CO2气爆煤体致裂规律实验,结合强度理论分析得到了初始应力对气爆裂纹扩展规律的影响机理:初始应力在试件内产生静应力场,与气爆冲击载荷产生的动应力场叠加使得被爆物体不同位置介质受载不同于无初应力场情况,从而影响介质的破坏特征。粉碎区范围随初始压应力的增加而减小,初始压应力不相等时,粉碎区呈纺锤体形状,其长轴方向与最大初始压应力方向一致;初始压应力因阻碍垂直于自身方向裂隙的扩展而使爆生裂隙呈现沿最大初始压应力方向扩展。(3)裂缝扩展速度与其扩展距离满足Logistic函数关系,气爆产生裂缝的扩展速度与致裂机理和破坏区域有对应关系(高速扩展-压破坏-粉碎区,低速扩展-拉破坏-裂隙区)。初始压应力越大,垂直于初始压应力方向裂隙扩展速度降低的越快,相同爆破条件下产生裂隙的条数越少,裂隙扩展的总长度越小。(4)建立了超临界CO2气爆致裂煤体冲击动力学模型,并引入材料硬化特性修正了Johnson-Cook模型,以ABAQUS软件为平台,编程实现了 SPH和FEM耦合计算,实现了初应力条件下超临界CO2气爆致裂煤体全过程的模拟,模拟结果与实验结果一致。开发了气爆模拟过程产生裂缝几何特征的图像识别程序,建立了含爆生裂隙低渗透煤层抽采瓦斯有限元模型,实现了超临界CO2气爆低渗透煤层增透规律模拟,结果表明:超临界CO2气爆低渗透煤层增透效果显著,且相同气爆条件下初始地应力越大,增透效果越差。(5)多脉冲气爆技术相对于单脉冲气爆技术能有效提高超临界CO2气爆致裂范围;鉴于初始压应力因阻碍垂直于自身方向裂隙的扩展而使爆生裂隙呈现沿最大初始压应力方向扩展的特征,初始地应力环境中的爆破工程,应适当扩大最大主应力方向的气爆孔间距,减小垂直于最大主压应力方向气爆孔间距,或联合使用超临界CO2多脉冲气爆技术,在保证致裂范围和增透效果的基础上减少钻孔等工程量来提高爆破效率。该论文有图144幅,表15个,参考文献111篇。