煤岩体水力爆破致裂弱化与增透的机理研究

低渗透性煤层瓦斯抽采、坚硬厚及特厚煤层综放开采和冲击矿压防治是目前煤矿的技术难题。在煤岩体中人工增加裂缝，弱化其强度、改善其渗透性，是有效解决途径。申请者初步试验结果表明，水压控制爆破后进行水力致裂能有效增加水压裂缝的数目和范围；进而提出了煤岩体水力爆破致裂弱化/增透方法。本项目采用大尺寸（500mm×500mm×500mm）真三轴煤岩体水力致裂实验系统等研究煤岩体水压爆破后裂缝形态及其受应力场、原生节理裂隙等的影响，分析水压爆破爆生裂隙分布形态等对后续水力致裂裂缝扩展方向、数目的影响；研究基于水压爆破后多裂缝的三维动态扩展规律及其受应力场、原生节理裂隙等的影响，研究基于爆生裂缝的水压裂缝空间转向的力学机制，分析水压裂缝分叉的力学条件；分析致裂（注水）工艺对多水压裂缝扩展的影响；分析煤岩体水力爆破致裂弱化/增透的效果，确定合理的水力爆破致裂技术参数。

低渗透性煤层瓦斯抽采、坚硬厚及特厚煤层综放开采和冲击矿压防治是目前煤矿的技术难题。在煤岩体中人工增加裂缝，弱化其强度、改善其渗透性，是有效解决途径。试验表明，水压控制爆破后进行水力致裂能有效增加水压裂缝的数目和范围；进而提出了煤岩体水力爆破致裂弱化/增透方法。采用大尺寸（500mm×500mm×500mm）真三轴煤岩体水力致裂实验系统等完成了项目内容的研究。掌握了真三轴围压下钻孔水压爆破裂缝空间形态及其影响因素、爆生裂缝对后续水力致裂的导向作用、水力爆破致裂的裂缝扩展规律，为煤岩体水力爆破致裂合理技术参数的确定提供了理论依据。. 揭示了真三轴围压下钻孔水压爆破裂缝空间形态。实验结果表明，钻孔水压爆破不一定有气泡脉动现象产生。三向围压下钻孔水压爆破后，以裸孔爆破段为中心，向外依次形成了粉碎压缩区和爆生裂隙区，二个区的外缘在空间上均呈近似椭球体。钻孔径向围压大的方向爆生裂缝范围也大，即钻孔径向横截面的爆生裂缝范围近似呈椭圆分布。根据裂缝产生原因的不同，将爆生裂缝沿钻孔轴向划分为三个带：爆炸冲击带、轴向扩展带和孔口影响带。得出了应力场、孔内初始水压力、单个钻孔装药量、节理裂隙、不同耦合介质等5个关键因素对水压爆破裂缝形态的影响规律。. 后续水力致裂使得爆生裂纹进一步扩展并形成多条多向的水压裂缝，局部水压裂缝主要有局部水压裂缝带、局部分支水压裂缝和钻孔轴向分层裂缝三种类型。破裂压力最小的裂缝优先起裂并沿着初始方向定向扩展，最终形成优势主破裂面。垂直于最小主应力的主破裂面较多、其它方向的主破裂面则较少。单裂缝的起裂及扩展准则适用于多裂缝情况，由此确定了水力爆破致裂的裂缝起裂及扩展规律。一旦某种裂缝优先起裂及有所扩展，且取得一定的长度优势后，裂缝扩展的“马太效应”现象就显现出来。水压爆破产生的爆生裂缝发挥着基础性的导向作用。水力爆破致裂后试块的完整性远远低于常规水力致裂。由于水压爆破导致的“应力笼”、新增的主破裂面以及次破裂面，使得相同地应力环境下的水力爆破致裂的初次破裂水压力要高于常规水力致裂，高出的幅度大约为50%~200%。