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砂岩预制裂缝定向压裂起裂与扩展规律研究

杨录胜  
【摘要】:在煤炭开采过程中,如果煤层上覆岩层存在坚硬难垮顶板,在工作面后方极易形成大面积的悬顶,悬顶一旦垮落,产生强冲击载荷,引起飓风,造成重大的矿难事故。对于无煤柱开采的沿空留巷、沿空掘巷,其巷旁支护侧采空区也容易形成悬顶,导致巷旁支护载荷增大,使留巷变形大,难以维护。对于煤柱护巷,采空侧悬顶使煤柱留设宽度增加,回采率严重下降。因此需要用人工方法强制使坚硬顶板随工作面的推进及时断裂垮落。目前,煤矿顶板定向水力压裂技术的方法是在钻孔内沿径向平行于岩层层面机械割缝,从而在有限范围内产生水平定向裂缝,使坚硬顶板分层,降低整体强度,减小大面积来压的冲击灾害。其缺点是顶板不能在巷道、采场的指定位置实现充分冒落,多年来应用受到一定限制。由于煤矿回采的特殊性,要求顶板能够按照指定位置和一定的方向断裂,而现阶段的顶板压裂难以实现该目的,因此提出垂直岩层层面预制裂缝的定向压裂技术。针对该技术方案中影响最终压裂效果的影响因素,如预制裂缝方位角、水平应力差和注液速率等对压裂裂缝的起裂和扩展规律的影响展开研究。研究内容和研究结果如下:(1)采用真三轴压裂实验装置,研究了不同预制裂缝方位角对压裂裂缝形态、起裂压力以及扩展规律的影响。实验结果表明:随着预制裂缝方位角的增大(水平应力差为2MPa),起裂压力呈线性递增;起裂位置全部在预制裂缝尖端,裂缝最终扩展并形成基本对称单一的平直或转向裂缝,裂缝的弯曲程度随着预制裂缝方位角的变化规律为:60°75°45°30°15°0°90°,通过声发射测试获得剪切破坏比例随预制裂缝方位角的变化规律与弯曲程度随预制裂缝方位角变化规律一致。随着预制裂缝方位角的增加,达到相同偏转角时,裂缝延伸长度逐渐减小,在45°达到最小值;当预制裂缝方位角大于45°,随着预制裂缝方位角的增加,与45°相比,达到相同的偏转角,裂缝延伸长度先增大后减小。(2)采用真三轴压裂实验装置,研究了不同水平应力差对定向压裂裂缝的起裂和扩展规律的影响。实验结果表明:随着水平应力差的增加,能够提供起裂位置的预制裂缝方位角区间逐渐缩小。水平应力差为小于等于2MPa时,沿预制裂缝尖端起裂;水平应力差为3MPa,即接近岩石抗拉强度3.2MPa时,预制裂缝方位角在0~75°,沿预制裂缝尖端起裂,在90°,沿钻孔孔壁面最大主应力方向起裂;水平应力差为4MPa时,预制裂缝方位角在0~60°,沿预制裂缝尖端起裂,在75°和90°,在沿钻孔孔壁面沿最大水平应力方向起裂。随着水平应力差的增大,裂缝起裂压力逐渐减小。压裂后形成基本对称单一的平直或转向裂缝,相同预制裂缝方位角时,随着水平应力差的增加,扩展裂缝由转向裂缝逐渐演变成平直裂缝,裂缝向最大水平应力方向偏转的越快,达到相同偏转角时,裂缝延伸长度越短。(3)采用真三轴压裂实验装置,研究了不同注液速率对定向压裂起裂压力、裂缝形态以及裂缝扩展控制作用。结果表明:随着注液速率的增大,起裂压力值变化幅度较小,压裂裂缝的扩展更倾向于向预制裂缝方向延伸;达到相同偏转角时,压裂裂缝延伸长随着注液速率的增加而增加。(4)初步建立了基于黏聚型裂纹的水力压裂模型,并采用包含裂隙流水压的零厚度黏聚型界面单元模拟裂纹的起裂和扩展。通过数值模拟结果与物理实验结果比较,证明该模型可以较好地反映岩石类准脆性材料水力压裂裂纹的起裂与扩展。(5)通过本文的研究证明在垂直层面预制裂缝定向压裂技术的主要影响因素中,在地应力一定的情况下,通过改变预制裂缝方位角和注液速率,可以实现裂缝首先在一定长度范围内沿预制裂缝的方向开裂,随后尽管裂缝受应力场控制转向沿最大主应力方向扩展,通过控制相邻钻孔的间距,使相邻钻孔的偏转后的裂缝在允许偏移的范围内相互搭接,从而实现顶板沿巷道壁一定范围内破断,实现定向切顶的目的。


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