煤岩体定向水力割缝致裂机理研究

Hard roof (top coal) control; increasing permeability of low-permeability coal-seam; and rock burst prevention are technical challenges in colliery at present. As oriented structure transformation of coal-rock mass is their common core scientific problem, to artificially create predetermined directional cracks on a large scale in coal-rock mass is an effective technical approach to resolve these challenges. According to preliminary test results of the applicant, hydraulic fracturing after hydraulic cutting (fluting) can effectively guide the expanding direction of hydraulic cracks. And then directional hydraulic cutting fracturing method for coal-rock mass is proposed. This project will be executed by using true triaxial hydraulic fracturing experimental system of big size (500mm×500mm×500mm) etal. It research stress distribution law of drilling hydraulic cutting fracturing in coal-rock mass and its effect by cutting method, etc.; and research mechanical mechanism of crack initiation and the required conditions to achieve directional fracturing. It research spatial turn and furcation law of three-dimensional directional hydraulic cracks expansion and its effect by cutting depth, etc.; and analyze the effect of directional fracturing result by crustal stress field, initial fissure, fracturing technology, brittle degree, etc; and confirm the effective range of directional fracturing. It research crack initiation and expansion law of multiple directional hydraulic cracks under the condition of multiple radial, axial and radial-axial cutting and its effect by cutting seam spacing and included angle, etc.; and provide determination methods of technical parameters for directional hydraulic cutting fracturing and volume hydraulic fracturing which is based on radial-axial cutting.

坚硬顶板（顶煤）控制、低渗透性煤层增透、冲击矿压防治等是目前煤矿的技术难题。煤岩体的定向结构改造是其共性的核心科学问题，在煤岩体中人工形成大范围预定方向的裂缝是其有效解决途径。申请者初步试验结果表明，水力割缝（槽）后进行水力致裂能有效引导水压裂缝的扩展方向；进而提出了煤岩体定向水力割缝致裂方法。本项目采用大尺寸（500mm×500mm×500mm）真三轴水力致裂实验系统等研究煤岩体钻孔水力割缝致裂的应力分布规律及其受割缝方式等的影响，研究其起裂的力学机制及实现定向致裂的条件；研究三维定向水压裂缝扩展的空间转向与分叉规律及其受割缝深度等的影响，分析地应力场、原生裂隙、致裂工艺、脆性度等对定向致裂效果的影响，确定定向致裂的有效范围；研究多径向、轴向、径轴向割缝条件下多定向水压裂缝的起裂与扩展规律及其受割缝间距、夹角等的影响；给出定向水力割缝致裂与基于径轴向割缝的体积水力致裂的技术参数确定方法。

煤矿中的坚硬顶板、冲击矿压、低渗透性煤层瓦斯抽采、煤与瓦斯突出、坚硬厚及特厚煤层综放开采等是制约矿井安全高效生产的技术难题。解决这些技术难题涉及一个共性的核心问题——煤岩体结构改造，水力致裂是实现煤岩体结构改造的有效途径，当工程需要的裂缝形态与自然条件下的不一致时，关键在于控制水压裂缝的扩展方向，即定向水力致裂。.运用大尺寸真三轴水力致裂实验系统进行了定向水力致裂裂缝扩展的基本实验，得出定向预割缝对水力致裂裂缝扩展方向和形态具有重要的控制作用；定向割缝后，割缝对后续水力致裂裂缝扩展的导向作用还受其应力场的影响；在定向水力致裂裂缝扩展过程中会出现转向，裂缝转向的曲率半径和转向距离决定了有效定向水力致裂范围。.基于裸孔和预割缝的水力致裂裂缝扩展规律实验研究，裸孔裂缝一般首先沿裸孔段孔壁起裂，在扩展过程中逐渐转向至与最小主应力垂直的平面；预割缝钻孔的裂缝一般沿孔壁和预割缝同时起裂，在扩展过程中受到围压、水压的共同影响，裂缝扩展呈曲折的阶梯、不整合形态。基于应力强度因子的理论计算，给出了水压裂缝沿孔壁和预割缝起裂的优先级以及判定条件，进而给出预割缝实现定向水力致裂的基本条件。.基于定向水力致裂三维裂缝扩展基本规律的实验研究，建立了定向水力致裂裂缝的空间转向模型。通过对模型的分析得出，裂缝的转向规律由裂缝尖端的应力强度因子确定；排量会对钻孔中的水压力大小产生影响，从而影响应力强度因子的大小，进而影响转向角度的大小；分析了最小主应力与定向预割缝方向的夹角和长度、主应力差等参数对裂缝的转向的影响，研究了有效定向水力致裂范围。同时，对粘度、岩石结构等其它影响因素做出相关理论分析。.钻孔的定向起裂与后续裂缝扩展规律是坚硬顶板定向水力致裂的核心科学问题。在坚硬顶板定向水力致裂原理性试验成功的基础上，在综采工作面端头超前支护段内进行了坚硬顶板钻孔预割缝定向水力致裂的半工业性试验，分析钻孔割缝对引导水压裂缝扩展的作用，钻孔孔壁水压裂缝沿预割缝槽优先起裂，受地应力场等综合影响，水压裂缝会出现空间转向。采动影响会改变致裂钻孔周围的应力分布，进而影响裂缝的定向扩展效果；钻孔预割缝定向水力致裂的实质是通过预割缝来控制裂缝的定向起裂，引导裂缝的扩展方向；并配合地应力、采动应力、致裂工艺等使导向裂缝尽量满足工程要求。