煤岩體定向水力割縫致裂機理研究

《煤岩體定向水力割縫致裂機理研究》是依託中國礦業大學，由黃炳香擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：煤岩體定向水力割縫致裂機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：黃炳香
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

堅硬頂板（頂煤）控制、低滲透性煤層增透、衝擊礦壓防治等是目前煤礦的技術難題。煤岩體的定向結構改造是其共性的核心科學問題，在煤岩體中人工形成大範圍預定方向的裂縫是其有效解決途徑。申請者初步試驗結果表明，水力割縫（槽）後進行水力致裂能有效引導水壓裂縫的擴展方向；進而提出了煤岩體定向水力割縫致裂方法。本項目採用大尺寸（500mm×500mm×500mm）真三軸水力致裂實驗系統等研究煤岩體鑽孔水力割縫致裂的應力分布規律及其受割縫方式等的影響，研究其起裂的力學機制及實現定向致裂的條件；研究三維定向水壓裂縫擴展的空間轉向與分叉規律及其受割縫深度等的影響，分析地應力場、原生裂隙、致裂工藝、脆性度等對定向致裂效果的影響，確定定向致裂的有效範圍；研究多徑向、軸向、徑軸向割縫條件下多定向水壓裂縫的起裂與擴展規律及其受割縫間距、夾角等的影響；給出定向水力割縫致裂與基於徑軸向割縫的體積水力致裂的技術參數確定方法。

結題摘要

煤礦中的堅硬頂板、衝擊礦壓、低滲透性煤層瓦斯抽采、煤與瓦斯突出、堅硬厚及特厚煤層綜放開採等是制約礦井安全高效生產的技術難題。解決這些技術難題涉及一個共性的核心問題——煤岩體結構改造，水力致裂是實現煤岩體結構改造的有效途徑，當工程需要的裂縫形態與自然條件下的不一致時，關鍵在於控制水壓裂縫的擴展方向，即定向水力致裂。 運用大尺寸真三軸水力致裂實驗系統進行了定向水力致裂裂縫擴展的基本實驗，得出定向預割縫對水力致裂裂縫擴展方向和形態具有重要的控制作用；定向割縫後，割縫對後續水力致裂裂縫擴展的導向作用還受其應力場的影響；在定向水力致裂裂縫擴展過程中會出現轉向，裂縫轉向的曲率半徑和轉向距離決定了有效定向水力致裂範圍。 基於裸孔和預割縫的水力致裂裂縫擴展規律實驗研究，裸孔裂縫一般首先沿裸孔段孔壁起裂，在擴展過程中逐漸轉向至與最小主應力垂直的平面；預割縫鑽孔的裂縫一般沿孔壁和預割縫同時起裂，在擴展過程中受到圍壓、水壓的共同影響，裂縫擴展呈曲折的階梯、不整合形態。基於應力強度因子的理論計算，給出了水壓裂縫沿孔壁和預割縫起裂的優先權以及判定條件，進而給出預割縫實現定向水力致裂的基本條件。 基於定向水力致裂三維裂縫擴展基本規律的實驗研究，建立了定向水力致裂裂縫的空間轉向模型。通過對模型的分析得出，裂縫的轉向規律由裂縫尖端的應力強度因子確定；排量會對鑽孔中的水壓力大小產生影響，從而影回響力強度因子的大小，進而影響轉向角度的大小；分析了最小主應力與定向預割縫方向的夾角和長度、主應力差等參數對裂縫的轉向的影響，研究了有效定向水力致裂範圍。同時，對粘度、岩石結構等其它影響因素做出相關理論分析。 鑽孔的定向起裂與後續裂縫擴展規律是堅硬頂板定向水力致裂的核心科學問題。在堅硬頂板定向水力致裂原理性試驗成功的基礎上，在綜采工作面端頭超前支護段內進行了堅硬頂板鑽孔預割縫定向水力致裂的半工業性試驗，分析鑽孔割縫對引導水壓裂縫擴展的作用，鑽孔孔壁水壓裂縫沿預割縫槽優先起裂，受地應力場等綜合影響，水壓裂縫會出現空間轉向。采動影響會改變致裂鑽孔周圍的應力分布，進而影響裂縫的定向擴展效果；鑽孔預割縫定向水力致裂的實質是通過預割縫來控制裂縫的定向起裂，引導裂縫的擴展方向；並配合地應力、采動應力、致裂工藝等使導向裂縫儘量滿足工程要求。