煤岩體水力爆破致裂弱化與增透的機理研究

《煤岩體水力爆破致裂弱化與增透的機理研究》是依託中國礦業大學，由黃炳香擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：煤岩體水力爆破致裂弱化與增透的機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：黃炳香
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

低滲透性煤層瓦斯抽采、堅硬厚及特厚煤層綜放開採和衝擊礦壓防治是目前煤礦的技術難題。在煤岩體中人工增加裂縫，弱化其強度、改善其滲透性，是有效解決途徑。申請者初步試驗結果表明，水壓控制爆破後進行水力致裂能有效增加水壓裂縫的數目和範圍；進而提出了煤岩體水力爆破致裂弱化/增透方法。本項目採用大尺寸（500mm×500mm×500mm）真三軸煤岩體水力致裂實驗系統等研究煤岩體水壓爆破後裂縫形態及其受應力場、原生節理裂隙等的影響，分析水壓爆破爆生裂隙分布形態等對後續水力致裂裂縫擴展方向、數目的影響；研究基於水壓爆破後多裂縫的三維動態擴展規律及其受應力場、原生節理裂隙等的影響，研究基於爆生裂縫的水壓裂縫空間轉向的力學機制，分析水壓裂縫分叉的力學條件；分析致裂（注水）工藝對多水壓裂縫擴展的影響；分析煤岩體水力爆破致裂弱化/增透的效果，確定合理的水力爆破致裂技術參數。

結題摘要

低滲透性煤層瓦斯抽采、堅硬厚及特厚煤層綜放開採和衝擊礦壓防治是目前煤礦的技術難題。在煤岩體中人工增加裂縫，弱化其強度、改善其滲透性，是有效解決途徑。試驗表明，水壓控制爆破後進行水力致裂能有效增加水壓裂縫的數目和範圍；進而提出了煤岩體水力爆破致裂弱化/增透方法。採用大尺寸（500mm×500mm×500mm）真三軸煤岩體水力致裂實驗系統等完成了項目內容的研究。掌握了真三軸圍壓下鑽孔水壓爆破裂縫空間形態及其影響因素、爆生裂縫對後續水力致裂的導向作用、水力爆破致裂的裂縫擴展規律，為煤岩體水力爆破致裂合理技術參數的確定提供了理論依據。揭示了真三軸圍壓下鑽孔水壓爆破裂縫空間形態。實驗結果表明，鑽孔水壓爆破不一定有氣泡脈動現象產生。三向圍壓下鑽孔水壓爆破後，以裸孔爆破段為中心，向外依次形成了粉碎壓縮區和爆生裂隙區，二個區的外緣在空間上均呈近似橢球體。鑽孔徑向圍壓大的方向爆生裂縫範圍也大，即鑽孔徑向橫截面的爆生裂縫範圍近似呈橢圓分布。根據裂縫產生原因的不同，將爆生裂縫沿鑽孔軸向劃分為三個帶：爆炸衝擊帶、軸向擴展帶和孔口影響帶。得出了應力場、孔內初始水壓力、單個鑽孔裝藥量、節理裂隙、不同耦合介質等5個關鍵因素對水壓爆破裂縫形態的影響規律。後續水力致裂使得爆生裂紋進一步擴展並形成多條多向的水壓裂縫，局部水壓裂縫主要有局部水壓裂縫帶、局部分支水壓裂縫和鑽孔軸向分層裂縫三種類型。破裂壓力最小的裂縫優先起裂並沿著初始方向定向擴展，最終形成優勢主破裂面。垂直於最小主應力的主破裂面較多、其它方向的主破裂面則較少。單裂縫的起裂及擴展準則適用於多裂縫情況，由此確定了水力爆破致裂的裂縫起裂及擴展規律。一旦某種裂縫優先起裂及有所擴展，且取得一定的長度優勢後，裂縫擴展的“馬太效應”現象就顯現出來。水壓爆破產生的爆生裂縫發揮著基礎性的導向作用。水力爆破致裂後試塊的完整性遠遠低於常規水力致裂。由於水壓爆破導致的“應力籠”、新增的主破裂面以及次破裂面，使得相同地應力環境下的水力爆破致裂的初次破裂水壓力要高於常規水力致裂，高出的幅度大約為50%~200%。