密集线性多孔控制定向水力致裂机理研究

Directional fracture is the major common challenge of strata control for roadway auto-generation by cutting roof and relief pressure, hanging roof in gob and gob-side entry retaining. Preliminary tests performed by applicant show that the directional fracture plane can be formed at the borehole axial under the coupling superimposition effect of matrix stress and pore pressure, which is realized by utilizing dense boreholes hydraulic fracturing. Dense linear multiborehole controlling hydraulic fracturing is put forward (patented), and through transforming the water injection fracturing process, dense linear multiborehole built-in hydraulic capsule, hydraulic pulling of expansion screws, static expansion agent and other expansion fracturing technology are corresponding formed. This project takes the mechanic mechanism of directional fracture plane and tensile stress zone formed under the coupling superimposition effect among the dense boreholes as a research pointcut, takes the propagation law of the cracks extending to each other among boreholes as an research bond, the three-dimensional X-ray microscopy and large-size true triaxial multiborehole hydraulic fracturing experimental system are utilized to study the mechanism of dense linear multiborehole controlling hydraulic fracturing, cracks propagation law and condition criterion. Establishing 3D FSC (fluid solid coupling) model of dense linear multiborehole controlling hydraulic fracturing, revealing the cracks initiation and the process of cracks extending to each other. On this basis, determine the core influence factors, and put forward the condition criterion of forming directional fracture plane and reasonable parameters determination method. This will lay the foundation for the wide range of engineering application of this technology in the future.

定向破裂是采煤工作面切顶卸压自动成巷、采空区与沿空留巷悬顶等岩层控制的重大共性难题。申请人初步试验表明，利用密集钻孔水力致裂的骨架应力和孔隙压力耦合叠加作用，可在钻孔轴向形成定向破裂面；提出了密集线性多孔控制水力致裂方法（获专利），变换其注水致裂工序相应可形成密集线性多孔内置水力胶囊、膨胀螺丝型液压拉拔、静力膨胀剂等膨胀致裂工艺方法。项目以流固耦合叠加作用导致密集钻孔间形成贯通的拉应力带与定向破裂面的力学机制为研究的切入点，把孔间裂缝相向扩展规律作为研究的纽带，采用X射线三维显微镜和大尺寸（500mm×500mm×500mm）真三轴多孔水力致裂实验系统等研究密集线性多孔控制水力致裂的原理、裂缝扩展规律及条件准则。建立致裂的三维流固耦合模型，揭示孔间裂缝起裂与相向扩展贯通过程。在此基础上，确定其核心影响因素，给出形成定向破裂面的条件准则与合理参数确定方法。为该方法今后广泛的工程应用奠定基础。

项目背景：煤矿采煤工作面切顶卸压自动成巷、坚硬顶板下采空区管理与沿空留巷、坚硬顶煤的竖直方向破裂等均需要对悬空顶板进行定向破裂处理。定向破裂是矿井岩层控制的重大共性难题。..主要研究内容：以流固耦合叠加作用导致密集钻孔间形成贯通的拉应力带与定向破裂面的力学机制为研究的切入点，采用大尺寸真三轴水力致裂实验系统等研究密集线性多孔控制水力致裂的原理、裂缝扩展规律及条件准则。在此基础上，确定其核心影响因素，给出形成定向破裂面的条件准则与合理参数确定方法。..重要结果：密集线性多孔间的骨架应力叠加作用使得钻孔连线方向始终为切向拉应力峰值方向，且垂直于钻孔轴线连线面的拉应力均优先达到岩石的抗拉强度，才能保障定向起裂与相向扩展贯通，形成定向破裂面。岩体孔隙度越大、主应力差值越小、孔间距越小、布孔方向与方向夹角越小，定向致裂效果越好。密集线性多孔等排量致裂可有效保证每个钻孔均开裂，起裂后钻孔间水压裂缝相向扩展，最终贯通为一完整的破裂面，较等水压力控制的定向致裂效果好。而节理裂隙过于发育对裂缝的转向影响较大，密集线性多孔致裂的定向效果差。..关键数据：发表论文13篇，其中SCI收录11篇，EI收录8篇。授权国内/国际发明专利16项，其中美国、俄罗斯、加拿大、澳大利亚发明专利10项。获得省部级一等奖1项、二等奖2项，均排名第一。入选国家国家重大人才计划、科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才。..科学意义：提出了密集线性多孔水力致裂、静力膨胀和套筒致裂方法，建立了密集线性多孔控制水力致裂的流固耦合模型，构建了密集线性多孔控制水力致裂、静力膨胀和套筒致裂形成的裂缝起裂和扩展模型，给出了密集线性多孔控制水力致裂的准则，揭示了密集线性多孔控制水力致裂、静力膨胀和套筒致裂的力学机制。从理论上奠定了该技术的成功应用基础，对于保障煤矿的安全高效生产，形成具有自主知识产权的专利技术，具有重要的理论价值和现实意义。