高瓦斯煤层脉动水力压裂裂隙扩展及导控机理研究

In order to improve the gas drainage efficiency of low permeability coal seam and combined pulse hydraulic fracturing with artificial fracture oriented, this project will initiate research on fatigue damage failure rules in coal-rock mass in the condition of various pulse parameters, reveal the variation patterns of pulse parameters when pulse water is in coal fracture and the pulse hydro-fracturing characteristic under various pulse variation parameters , confer the effects of pulse water on physical-mechanical properties in process of fracturing, establish the coupling relationship between hydraulic parameters of pulse hydraulic fracturing and fracturing characteristic variables in failure areas and describe the coal damage-crack mechanical process and build corresponding mechanical criterion theoretically.Crack guiding-controlling mechanism will be revealed by analyzing fracturing effects under diverse fractures oriented and the states of stress distribution,which will provide theoretical foundation for optimizing and perfecting pulse oriented hydraulic fracturing technology and contribute to achieve the purpose of pressure relief and permeability enhancement of high gas and low permeability coal seam.

为了提高高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效率，本项目将脉动压裂和人工导向裂隙结合起来，开展不同脉动参量条件下煤岩体的疲劳损伤破坏规律研究，揭示脉动水在煤体裂隙流动过程中脉动参量的变化规律和不同脉动参量条件下脉动水力特征；探讨压裂过程中脉动压力波对煤体物理力学性质的影响规律，建立脉动参量与压裂区煤岩破裂特征参变量之间的耦合关系，从理论上描述煤体损伤-裂隙的力学过程并建立相应的力学准则；研究脉动水力压裂和人工导向裂隙结合下的煤岩应力、孔隙度、渗透率和饱和度变化规律，分析人工导向裂隙对煤岩致裂效果的影响规律，揭示脉动压裂煤岩导向裂隙对压裂方向的影响与控制机制，为完善和优化脉动定向水力压裂卸压增透技术提供理论基础，实现高瓦斯低透气煤层区域性卸压增透的目的。

我国煤矿70%左右的高瓦斯突出煤层具有微孔隙、低渗透率、高吸附性的特征，大部分煤层瓦斯抽采困难，瓦斯灾害严重。低透气性煤层强化致裂增透是提高煤体渗透性的有效方法，脉动水力压裂技术是在常规水力压裂技术基础上发展的一种新技术，本项目针对不同脉动参量条件下煤岩的损伤-裂隙演化规律等研究中存在的问题，开展了高瓦斯煤层脉动水力压裂裂隙扩展及导控机理研究。主要研究内容：（1）设计加工了脉动水压力传播实验系统，研究了脉动压力水在煤体裂隙（无阻塞平直裂隙、不同堵塞系数的开口裂隙和分叉裂隙）流动过程中脉动压力、脉动频率的边界控制条件，脉动压力波反射、叠加变化规律，揭示了不同脉动参量条件下脉动水在煤体裂隙中传播的力学特征；（2）研制了脉动变频加载及煤体致裂实验系统，包括脉动压力发生及变频系统、真三轴加载系统、压力及流量控制系统、监测系统4个子系统，可设计不同地应力、加载方式、脉动参数等条件下煤体裂隙演化实验；（3）揭示了煤岩体脉动致裂疲劳损伤破坏规律，研究了脉动参量与压裂区煤岩破裂特征参变量之间的耦合关系，探讨了脉动压裂煤岩损伤-裂隙的力学过程并建立相应的力学准则；（4）提出了低频和高频结合的变频脉动压裂方式，促进裂隙扩展、贯通，在煤体内部形成裂隙网络，为瓦斯流动提供足够多的通道；（5）研究了煤体裂隙延伸、扩展的影响因素，推导裂隙扩展的理论判据和裂隙高度的表达式；探讨了研究脉动水力压裂和人工导向裂隙结合下的煤岩应力变化规律，揭示了导向裂隙对脉动压裂裂隙扩展方向的影响与控制机制。