定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验

 针对煤矿坚硬难垮顶板控制的研究现状及存在的问题,进行定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板井下试验。通过在压裂孔两侧布置监测孔和在压裂过程中实时监测泵压变化,深入分析煤矿坚硬难垮顶板水力压裂特点。试验结果表明：(1) KZ54型切槽钻头能够在坚硬岩层中预制横向切槽,可有效降低裂缝破裂所需压力;(2) 采用跨式膨胀型封隔器可对岩层坚硬段分段逐次压裂,压裂过程中可在顶板中产生多条裂缝,从而有效弱化顶板;(3) 随着压裂处与孔口距离的增大,裂缝破裂和扩展所需的压力也相应增大,裂缝的扩展半径最大可达20 m;(4) 在压裂过程中,由于岩层均匀性、渗透性、地应力场、岩层结构面等影响因素的变化,压力–时间曲线呈现出多种形态;(5) 岩石抗拉强度与地应力值较为接近时,岩石强度对水力压裂有较大影响。     

坚硬顶板水压致裂控制理论与成套技术

煤矿坚硬顶板具有硬度大、整体性好、分层厚度大等特点,导致诸多围岩控制与安全难题。水压致裂可改造顶板岩体结构,控制工作面顶板的冒落;提出坚硬顶板水压致裂控制的理论与成套技术框架。采用真三轴实验系统等研究揭示水压裂缝的扁椭球体典型形态和空间转向扩展形态,给出围压主应力差、排量、层面与原生裂隙等对水压裂缝扩展的影响规律,考虑围岩的应力应变状态与控顶效果,阐明定向压裂临空坚硬悬顶的断顶线位置适当内错煤柱的原理。给出采动岩体水压致裂的时空关系及确定方法。针对裂缝形态的控制要求,提出定向水力割缝致裂等系统的控制致裂方法,在此基础上研制煤矿井下高压(60 MPa)水压致裂的成套装备。针对不同类型工程特点,控制水压主裂缝扩展、翼型裂纹扩展和吸水湿润作用,使顶板及时充分冒落,实现围岩弱化、应力转移、诱导矿压破煤等功能。研发了工作面端头悬顶、切眼及中部坚硬顶板、坚硬顶煤弱化、综放面初采瓦斯、临空巷道冲击地压和大变形等控制成套工艺技术。成套技术与装备已在大同矿区、神东矿区等推广应用。与传统爆破弱化顶板相比,水压致裂弱化顶板管理简单、扰动小、安全性高、工程量少、作用范围大、控制距离远,且经济成本不到其1/10,在深部开采中更具有优势。     

煤体在不同层理方位Ⅰ型断裂特征试验研究

通过Ⅰ型断裂试验、3D形貌扫描技术,对沁水煤田15#煤的3种不同层理方位条件下Ⅰ型断裂特性、断裂面形貌特征以及层理、内生裂隙等影响下I型裂纹扩展规律进行了分析研究;并通过水压致裂试验,验证了约45°天然裂隙面对水力裂缝扩展的影响。结果表明:沿平行层理方位煤岩的断裂韧度KIC、断裂面面积、线粗糙度在3种方位中最低;在正交及垂直层理方位断裂时,煤岩体中裂纹扩展的有效路径更长,更有利于连通较多的孔裂隙,进而有利于改善煤层渗透性。同时,在该煤岩I型断裂试验中,在内生裂隙影响下裂纹扩展路径在正交层理方位的波动偏转角度最大,近似达30°;在该含天然裂隙煤岩水压致裂试验中,水力裂缝贯穿45°天然裂隙面扩展,沿垂直层理方位压裂后,裂面面积比其投影面积增大约0.3倍。结论对煤层气压裂增透工程具有一定指导意义。     

特厚煤层高强度综放开采水力压裂顶板控制技术研究

 针对塔山煤矿临空顺槽矿压显现剧烈的问题,进行水力压裂弱化煤层上覆坚硬K3老顶的现场试验,通过水力压裂期间监测钻孔以及巷道两侧锚杆出水情况与水压的变化分析水力压裂的影响范围,通过水力压裂前后周期来压步距、动载系数、顶板下沉量、两帮移近量、煤壁片帮统计、工作阻力与瓦斯涌出情况,深入分析水力压裂弱化坚硬老顶的特点。试验结果表明：(1) 切槽裂隙在水力压裂的作用下其扩展范围不超过55 m;(2) 裂缝所处的煤岩体环境使得裂缝扩展的压力时间曲线呈现3种轨迹形态;(3) 水力压裂前后,周期来压步距分别为18.69,16.76 m,平均周期来压动载系数分别为1.69,1.53;顶板下沉量与两帮移近量都明显缩小,巷道顶板整体完整;煤壁片帮深度平均值由原来的31.18 m变为7.06 m;瓦斯涌出相对稳定,上隅角瓦斯浓度由原来的0.20%降低为0.15%。工作面顶板完整性和强度得到了弱化,随工作面推进顶板能够及时垮落,5106临空顺槽顶板的压力明显减弱,说明水力压裂的效果良好,研究结果对类似条件下的工作面具有积极的指导意义。     

页岩水力压裂水力裂缝与层理面扩展规律研究

在对含天然层理弱面页岩进行水力压裂过程中,水力主裂缝的起裂、扩展及层理面的扩展对缝网的形成有重要影响。为研究水力主裂缝的起裂、扩展规律和层理面对水力裂缝扩展的影响,开展真三轴试验条件下的水力压裂试验,采用声发射系统监测水力压裂过程,并在试验后对试样进行剖切与CT扫描;同时进行定量的理论分析,并通过试验结果验证。研究表明:(1)起裂方向由初始角度转至最大水平主应力方向;垂向应力与水平最大主应力相差极小时,各个方向起裂压力相差极小,裂缝很快转向最大水平主应力方向。(2)水力主裂缝整个扩展过程中所需水压区间与裂缝长度、断裂韧性值相关。(3)形成由层理面与主裂缝构成的网状的裂缝系,层理面在主裂缝的靠近过程中张开区的长度极小,主要在主裂缝接触到层理面后产生较大的张开区与剪切区,层理面的剪切区域长度远大于张开区域长度,剪切区域提供主要的导流通道;剪切区的长度对层理面黏聚力c和水力裂缝与层理面交角?参数敏感性很高。研究结果可以为压裂模型的建立提供几何参数,并对施工参数的设计有指导意义。     

水、ScCO_2致裂煤体裂纹形态与形成机制研究

为研究不同压裂条件下致裂煤体裂纹形态与形成机制,采用无烟煤试件在轴压/围压分别为12/10,14/10和16/10MPa下开展水力、ScCO_2压裂试验,综合运用显微CT和三维形貌扫描表征压裂后裂隙煤体的内部裂纹形态、裂纹面粗糙度特征,并讨论不同压裂条件下致裂煤体裂纹的起裂扩展机制。结果表明:ScCO_2压裂形成的裂纹数目更大、分叉更多、开度更小、裂纹面曲折度更高,显微CT得到的孔裂隙率表明ScCO_2压裂改造范围大于水力压裂;与水力压裂不同,ScCO_2压裂影响范围更大、释放的能量更多,导致裂纹网络趋于一次形成;水、ScCO_2压裂裂纹起裂扩展均受地应力状态、层理弱面的影响,只有垂向地应力差异系数大于0.6,才能产生纵向主裂纹,反之,产生横向主裂纹;采用最大拉应力理论能较好预测产生纵向裂纹的临界起裂压力,而基于莫尔–库仑理论推导的起裂准则,能较好预测水、ScCO_2致裂煤体下产生横向裂纹的临界起裂压力,相对误差在5%以内。     

煤体水力压裂过程中孔壁应变及电阻率响应特征试验研究

为全面分析压裂过程煤体的损伤破坏过程,提出水力压裂过程孔壁应变与电阻率同步监测的试验方法,利用自制的水力压裂试验系统,开展原煤水力压裂试验,得到煤体水力压裂过程的孔壁压缩应变–电阻率–水压曲线,分析孔壁应变与电阻率的响应机制。结果表明,煤体水力压裂过程中孔壁应变和电阻率呈现较强的规律性;孔壁应变曲线呈现"V"型,电阻率曲线呈现"■"型,这种变化趋势与水压变化相对应,当水完全占据孔内空间时会导致煤体电阻率达到最小,一旦压裂孔出现破裂,电阻率及孔壁应变会出现突变并逐渐达到最大值;孔壁应变曲线反映出压裂孔承压变形的强度,电阻率曲线则反映出试块内部裂隙的演化特征。煤体孔壁应变–电阻率–水压曲线蕴含了压裂孔承压破裂的丰富信息,为研究钻孔起裂行为提供了一种新方法。     

含裂纹试件双轴压缩裂纹扩展数值模拟研究

为研究内水压作用下的岩石内部裂纹扩展规律,利用围线积分计算裂纹在水压及单、双轴压力下的裂纹扩展特性,并与现有的试验结果进行了对比。研究结果表明:单、双裂纹首先在裂纹的尖端生成“翼形裂纹”,水力压裂因子越大,单裂纹翼裂纹与原预制裂纹的夹角越小;水力压裂因子越大,监测点的裂纹扩展速率越快,对于单裂纹而言,断口处的扩展速率要高于长轴,对于双裂纹试样,裂纹内侧的扩展速率则要大于外侧;水力压裂因子越大,1、2、3型应力强度因子也越大。研究成果为认识水压力以及双轴应力下的单、双内裂纹扩展机理提供了一定的参考。     

煤岩体在水中高压放电下致裂效果的定量评价

为了研究水中高压放电对低渗透性煤体的致裂效果,设计在3MPa水压中高压脉冲放电压裂试验,利用CT扫描系统和孔裂隙特征分析软件,通过研究煤样内部裂隙的几何形态参数、分形维数及裂隙宽度概率密度函数的变化,定量分析煤岩体在不同加载压裂方式下的裂纹扩展规律。研究结果表明:在相同水压条件下,高压电脉冲水压压裂煤体的效果明显优于单纯3 MPa水压的压裂效果;放电电压越高,煤样内部裂隙的数量和节点数量越多、总长度越长、平均宽度越宽以及裂隙率越大;放电电压越高,分形维数和裂隙分布初值的对数值越大,即裂隙越复杂,大裂隙所占比例越大;放电电压越高,裂隙宽度越宽,宽度分布范围也越广。由此可见,水中高压脉冲放电对煤体具有良好的致裂效果。     

有压圆形隧洞围岩径向裂纹应力强度因子研究

为研究隧洞围岩周边径向裂隙的水力劈裂问题,利用复势法分别给出了高水压和构造应力两种因素作用下围岩径向裂隙应力强度因子的解析公式。研究表明:在压应力构造应力场中,构造应力只主导裂隙的Ⅱ型扩展,围岩孔隙水压力只主导裂隙的Ⅰ型扩展;侧压力系数和构造主应力与裂隙夹角是影响裂隙Ⅱ型扩展的重要因素。研究结论对于进一步研究高水压和构造应力对径向裂隙的水力劈裂效应具有重要的参考价值。     

Hydraulic fracturing in a cubic soil specimen

Based on fracture testing results for a cohesive soil, a new criterion for hydraulic fracturing in cohesive soil was suggested. From the criterion, the mechanism of hydraulic fracturing in a cubic soil specimen was investigated. The envelope-shaped crack prefabricated in the cubic soil specimen was propagated by increasing water pressure in the crack. The propagation of the crack may occur in mixed mode I-II or mode I. While the crack face is not perpendicular to any of the maximum, medium and minor principal stresses on the specimen surfaces, its propagation may occur in mixed mode I-II. But while the crack face is perpendicular to the minor principal stress, the crack is the most likely propagating one, and its propagation may occur in mode I.     

页岩水力压裂裂缝形态的试验研究

为深入认识页岩储层水力裂缝延伸规律及其空间形态,采用真三轴岩土工程模型试验机、压裂泵压伺服控制系统、Disp声发射定位系统和工业CT扫描技术,建立了一套室内页岩水力压裂大型物理模拟试验方法,并通过试验后页岩试样水力裂缝的延伸与空间展布规律,初步探讨了页岩水力压裂网状裂缝的形成机理。结果表明：裂缝延伸时泵压曲线典型的锯齿状波动与裂缝网络的形成密切相关,是页岩体积压裂的一个明显特征。页岩层理面的发育程度、泵压大小和地应力状态对裂缝形态有显著影响,水力裂缝在层理面内的分叉、转向进而沟通天然裂缝是形成裂缝网络的关键,而层理面过弱或过强都不利于网状裂缝的形成;对层理面胶结强度适中的地层,地应力对裂缝的延伸有较大影响;在低排量且维持较低泵压时,裂缝易于转向,且更易形成网状裂缝,而达到体积压裂。建立的页岩水力压裂物理模拟试验方法及试验结果可为页岩气压裂优化设计等提供技术支持。     

层理对页岩水力裂缝扩展的影响研究

 层理、裂隙等结构面的存在是实现页岩气藏储层体积改造的前提。为分析层理对页岩水力裂缝扩展的影响,在各向异性材料裂纹尖端应力场分布特征的基础上,开展切口与层理呈不同方位的圆柱形试样三点弯曲试验,研究页岩断裂韧性的各向异性特征,并揭示其断裂机制的各向异性,进而根据真三轴条件下页岩水力裂缝的延伸规律,探讨了层理在页岩网状压裂缝形成过程中的重要作用,结果表明：(1) 各向异性材料裂纹尖端的应力场和位移场不仅由应力强度因子决定,还与材料的弹性常数有关;(2) 切口与层理呈crack-arrester,crack-divider和crack-splitter三种方位时,页岩断裂韧性在crack-arrester时最大,crack-splitter时最小,各向异性显著,而层理面开裂和断裂路径偏移是引起断裂韧性各向异性的主要原因;(3) 页岩层理的弱胶结作用使其断裂韧性较小,阻止裂纹失稳扩展的能力较弱,而在垂直层理方向,断裂韧性较大,阻止裂纹扩展的能力较强,当水力裂缝垂直层理扩展时,在弱层理面处会发生分叉、转向,且在继续延伸的过程中会进一步沟通天然裂缝或弱层理面而形成复杂的裂缝网络,达到体积压裂。研究结果可为深入认识页岩气藏储层体积压裂形成条件及机制提供一定参考。     

水压致裂过程的三维数值模拟研究

基于RFPA数值分析方法和并行计算技术,建立了反映岩石细观损伤演化过程的三维渗流–应力–损伤耦合模型。对具有120万单元的方形岩石材料模型,进行了4组不同应力状态下水压致裂过程的三维大规模科学计算分析。计算结果分析表明：起裂压力与失稳压力并不重合,起始裂纹均为张性,裂纹扩展形式、表面平整度、走向、扩展失稳过程以及裂纹的空间分布形态受应力状态影响。当竖直方向为最大主应力方向时裂纹呈空间竖片分布,当水平应力差较大时裂纹表面形态平整,失稳到来较快;当竖直方向为最小主应力方向时裂纹的空间分布呈水平片状;不等的主应力情况下裂纹总是分布在最小主应力面内;当三向主应力相等时,裂纹起裂位置和扩展方向具有竞争趋势,空间分布不具规律,裂缝分支较多。数值模拟结果与物理实验结果有着较好的吻合,该研究对水压致裂工程设计有一定参考价值。     

钙芒硝盐岩水力压裂裂纹端面特征试验研究

为研究钙芒硝水力压裂作用下裂纹扩展-溶解机理,对钙芒硝矿层的流体化开采提供参考,同时填补水力压裂中只有物理作用而无化学作用的空白,丰富水力压裂理论,作者采用室内试验的方法,分别进行了钙芒硝试件在轴压/围压为5/4 MPa、7/4 MPa、9/4 MPa三种应力条件下的水力压裂实验,并采用3D形貌扫描仪对破坏断面的裂纹形态进行扫描,结合裂纹粗糙度表征公式对试验数据进行计算分析。研究发现:钙芒硝水力压裂是应力和溶解的共同作用,压裂过程大致可以分为水压升高阶段、裂纹扩展阶段、水压下降阶段3个阶段;3个阶段的划分与前人研究成果相同,但裂纹扩展阶段的压力波动剧烈,与其他岩石(例如,煤,页岩)水力压裂试验结果相差较大,其为钙芒硝溶解现象影响所致;不同应力下,钙芒硝水压致裂后裂纹形态不同;当垂向应力差异系数(k)≤0.75时,钙芒硝盐岩产生横向裂纹,k≥1.25时,钙芒硝盐岩将产生纵向裂纹;同一应力状态下钙芒硝清水致裂后裂纹端面粗糙度大于饱和盐水致裂后的粗糙度,不同应力状态下,水压致裂后粗糙度随轴压的增大而增大。研究成果对钙芒硝矿层的原位溶浸流体化开采具有重要的工程价值。