煤礦堅硬難垮頂板水力壓裂裂縫擴展機理研究及應用.pdf

1、本文以煤礦堅硬難垮頂板水力壓裂裂縫擴展為研究對象，采用理論分析、實驗室試驗、數值模擬、井下監(jiān)測及試驗相結合的方法，對堅硬難垮頂板水力裂縫擴展的機理及其應用進行了深入、詳細的研究。
　　論文主要研究內容包括:(1)采用彈性理論和斷裂理論分析堅硬巖層常規(guī)鉆孔水力壓裂裂縫開裂與擴展過程，并分析水力裂縫擴展壓力較高的原因;(2)采用數值方法分析鉆孔橫向切槽在水力壓裂中的作用，并通過井下試驗進行驗證;(3)選擇典型堅硬難垮頂板礦井，開展堅硬

2、難垮頂板水力壓裂裂縫擴展的井下試驗，分析裂縫的開裂與擴展特點;(4)在晉城王臺鋪煤礦進行堅硬頂板水力壓裂技術井下試驗，監(jiān)測工作面煤體應力及頂板垮落情況，檢驗研究成果的合理性。
　　通過研究得到以下主要結論:(1)地應力的大小、方向和類型是水力壓裂鉆孔參數設計的基礎;針對不同的地應力場類型，合理設置鉆孔參數可使裂縫開裂所需壓力為最小值;(2)定義水力裂縫擴展影響因子D=(P-σ1)/(σ1-σ3)。當裂縫開裂所需的壓力P遠大于地應力

3、時，地應力對裂縫擴展的影響較小，裂縫擴展近似表現為自相似擴展;(3)在常規(guī)水力壓裂過程中，鉆孔初始開裂時產生的裂縫大多接近于縱向裂縫，此類裂縫的擴展往往會導致壓裂作業(yè)的失敗;(4)地應力場類型的不同時，水壓對有橫向切槽及鉆孔周圍的應力狀態(tài)和影響范圍均不同。水力壓裂過程中，隨著水壓的不斷增大，橫向切槽端部產生拉應力集中，裂縫在切槽尖端處優(yōu)先開裂并向遠處擴展，對封孔、定向壓裂和降低開裂壓力有一定的作用;(5)在堅硬難垮頂板水力壓裂試驗中，由

4、于受巖層均勻性、滲透性、地應力場、巖層結構面等因素的影響，壓力變化呈現出多種形態(tài);對鉆孔進行分段逐次壓裂時，隨著壓裂段與孔口距離的增大，裂縫開裂和擴展所需的壓力也相應增大，采用分段逐次壓裂可有效弱化頂板巖層;(6)在水力壓裂前后，受水壓與裂縫擴展的影響，壓裂鉆孔附近煤層中的主應力增量值、傾角和方位角一般均會出現突變。壓裂結束后，主應力增量得到恢復，但與壓裂前相比，主應力增量均有下降趨勢，水力壓裂可改變煤層的應力狀態(tài);(7)王臺鋪煤礦堅硬