巖體鉆孔預(yù)割縫水力致裂的定向起裂條件研究.pdf

1、煤礦沖擊礦壓防治、瓦斯增透抽采、防治煤與瓦斯突出一直是煤炭開采過程的重要問題,煤巖體水力致裂可以弱化煤巖體物理力學(xué)性質(zhì),是解決以上問題的有效途徑。隨著技術(shù)應(yīng)用的深入,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中對(duì)水力致裂技術(shù)提出了更高要求,尤其是水壓裂縫起裂和擴(kuò)展的定向問題,成為技術(shù)要點(diǎn)。本文采用物理模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法對(duì)巖體預(yù)割縫水力致裂水壓裂縫的定向起裂進(jìn)行了研宄。
　　運(yùn)用RFPA2d-FLOW數(shù)值模擬軟件對(duì)巖體預(yù)割縫水力致裂圍巖應(yīng)力

2、分布進(jìn)行了數(shù)值模擬研宄。研究表明:鉆孔孔底開預(yù)割縫后,縫尖存在較大的應(yīng)力集中,周圍應(yīng)力圍繞預(yù)割縫重新分布;加水壓后,隨著水壓力從0逐漸增大,縫尖壓應(yīng)力逐漸減小,然后變?yōu)槔瓚?yīng)力,隨著拉應(yīng)力變大至超過材料抗拉強(qiáng)度,裂縫起裂。
　　運(yùn)用大尺寸真三軸水力致裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了物理模擬研究。首先對(duì)鉆孔有、無預(yù)割縫的水力致裂定向起裂進(jìn)行了對(duì)比研究,研宄表明:無預(yù)割縫情況下,裂縫一般沿鉆孔孔壁起裂,在擴(kuò)展過程中逐漸轉(zhuǎn)向至與最小主應(yīng)力垂直的平面。有預(yù)

3、割縫情況下,裂縫一般沿鉆孔孔壁和預(yù)割縫同時(shí)起裂,在擴(kuò)展過程中受到圍壓、水壓力的共同影響,裂縫擴(kuò)展呈曲折的階梯、不整合形態(tài)。對(duì)鉆孔孔壁與預(yù)割縫起裂優(yōu)先級(jí)判定的物理模擬研宄表明:預(yù)割縫長(zhǎng)度在2倍孔徑以內(nèi),預(yù)割縫起裂優(yōu)先級(jí)較低,裂縫一般同時(shí)沿預(yù)割縫和鉆孔起裂;預(yù)割縫長(zhǎng)度在2倍7倍孔徑之間,預(yù)割縫起裂優(yōu)先級(jí)逐漸增大;預(yù)割縫長(zhǎng)度在7倍孔徑以上,預(yù)割縫起裂優(yōu)先級(jí)較高,裂縫基本全部沿預(yù)割縫起裂。
　　基于彈性力學(xué)的裂縫定向起裂理論研究,結(jié)合物理

4、模擬結(jié)果,將預(yù)割縫看成橢圓型裂縫考慮,求得了沿預(yù)割縫和鉆孔孔壁起裂的起裂壓力計(jì)算公式,通過計(jì)算比較確定了裂縫沿鉆孔和預(yù)割縫起裂的優(yōu)先級(jí)。在圓形預(yù)割縫上存在兩個(gè)對(duì)稱的扇形起裂優(yōu)先級(jí)最高,鉆孔起裂優(yōu)先級(jí)次之,扇形大小與圍壓情況、鉆孔方位、預(yù)割縫長(zhǎng)度有關(guān)。在某些極限情況下兩個(gè)扇形有可能組成整個(gè)圓,此時(shí)裂縫完全沿預(yù)割縫起裂。
　　結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)預(yù)割縫水力致裂定向起裂試驗(yàn),有以下經(jīng)驗(yàn)總結(jié):現(xiàn)場(chǎng)定向水力致裂,應(yīng)盡量避免鉆孔平行最大主應(yīng)力方向設(shè)計(jì),盡