煤体裂纹水力致裂的扩展机理

基于现有的岩石断裂力学和细观损伤力学,在引用裂纹尖端损伤局部化模型,考虑煤体的远场应力、煤体注水压力及局部损伤带内应力作用的前提下,分析了裂纹尖端应力分布,对水力作用下煤体裂纹尖端损伤局部化、裂纹扩展的基本条件及裂纹扩展的方向进行了理论分析与探讨。     

低透气煤层水力压裂裂纹的扩展规律

获取低透性煤层的合理水力压裂影响区和压裂孔布置方式,对瓦斯有效抽采、灾害预防尤为重要。采用岩石破裂失稳RFPA2D渗流系统,建立数值模型,分析低透性煤层水力压裂钻孔周边裂纹的扩展规律。结果表明：钻孔左侧水平向起裂并向内部延伸,右侧起裂裂纹与水平向呈45°且向煤体内部延伸,最终主破裂方向转变为30°,煤层破裂形态呈现蝴蝶形;随着步中步的增加,声发射事件逐渐增多,孔隙水压力分布呈现强弱强弱态。随着水压力不断增大,裂纹区、裂隙区、塑性区和弹性区也在不断改变,变化趋势整体形态呈现椭圆形。该研究为低透性煤层水压增透钻孔合理布置提供了参考依据。     

煤岩体水力致裂弱化技术及其进展

针对煤矿开采中坚硬顶煤（板）冒落性差的问题,讨论了煤矿生产中由此产生的顶煤放出率、冲击 矿压、自燃发火和瓦斯积聚等技术难题;分析了坚硬顶煤（板）水力致裂弱化技术的岩体水力致裂裂缝扩展行 为规律、渗透压力对裂隙岩体宏细观结构的改造作用及其宏观力学响应,水压裂缝扩展形态控制技术,钻孔封 孔技术和岩体水力致裂弱化的监测监控的研究现状和技术发展趋势。     

基于分形方法的水力压裂裂缝起裂扩展机理

利用分形几何模型描述岩石断裂裂纹的曲折形态,建立了裂纹分形模型下的岩石应力强度因子表达式。在此基础上,以裸眼井为例分析了井底岩石的起裂压力,并建立了考虑裂纹分形扩展的缝内压力计算模型和裂缝宽度方程。理论分析结果表明,岩石扩展路径的曲折程度对模型的计算结果影响较大,考虑裂纹分形扩展后的模型计算数值大于直线型扩展的计算结果,且考虑裂纹分形模型与直线型模型的裂缝宽度计算值之比随着断裂面分形维数的增大而增大。     

煤体脉动注水与恒压注水致裂特征模拟

 为解决煤体恒压注水在实际应用中致裂效果不理想问题, 基于FLAC3D在岩土力学中的应用, 模拟了在脉动注水与恒压注水条件下煤体的起裂过程, 分析了煤体脉动注水与恒压注水致裂特征.数值模拟结果表明, 经水力压裂后, 脉动注水模型中走向方向压裂半径3.3m, 垂直方向压裂半径2.2m;恒压注水模型中走向方向压裂半径0.65m, 垂直方向压裂半径0.96m.煤体脉动注水比恒压注水需要更长时间起裂, 脉动注水模型最终压应力比恒压注水低, 从而得出脉动注水对煤岩体卸压作用明显优于恒压注水.     

坚硬煤层爆破致裂增注技术研究及应用

为解决坚硬煤层注水难度大的问题,对煤层采取爆破致裂的技术,增加煤体裂隙,以平顶山矿区某煤矿为研究对象,验证了爆破致裂增注技术在坚硬煤层中的应用效果。结果表明:单孔爆破后裂隙扩展范围达到2~3 m,注水流量及总注水量比普通钻孔显著增大。双孔同时爆破时,由于应力波的相互叠加,使煤体应力重新分布,在两孔之间形成相互贯通的径向裂隙和环向裂隙,裂隙扩展范围可达6 m,爆破效果优于单孔爆破。     

煤层定向水压致裂机理研究

随着中国煤矿开采规模、深度及强度的逐年加大,为进一步保障安全生产环境、降低安全事故发生的频度和烈度、提高资源回收率,煤层水压致裂的可控性是目前亟待研究的重要问题之一。煤层定向水压致裂技术利用钻孔煤层中的裂隙作为导向裂隙,在围岩应力与注水压力共同作用下,引导岩层破坏方向。基于水压致裂单裂隙压剪模型及断裂力学理论推导出定向水压致裂临界水压力,对煤层定向水压致裂机理进行研究。研究结果表明,定向裂隙的存在使得煤层水压致裂位置发生偏移,定向裂隙的角度和长度是影响煤层水压致裂破坏方向和临界注水压力的主要因素,这为煤层水压致裂可控性提供理论基础。     

定向水力致裂防冲原理数值模拟研究

定向水力致裂能够有效降低坚硬顶板的强度和完整性,从而能够弱化顶板破坏时的能量释放和动力效应。采用定向水力致裂处理坚硬顶板,处理方式包括顶板分层和切断悬顶。为了研究定向水力致裂处理顶板起到的防冲效果,采用UDEC离散元分析软件对顶板致裂前后系统释放能量和系统动能进行了计算,研究结果表明顶板致裂后降低了系统释放能量和系统动能,从而减少顶板和煤体能量积聚,降低了冲击地压发生的危险性。     

煤层水力致裂对采场围岩应力扰动的影响

采用分析岩石损伤破裂过程的RFPA2D-Flow数值计算软件,研究了大阳煤矿3401综放面煤壁前方煤层水力致裂对采场矿压的应力扰动过程。结果表明:随着水压力的增大,围岩应力会不断经历集中、转移、再集中的过程,受水力致裂的影响顶板压力释放,高应力值不再出现,低应力值出现得较为密集,弱化了顶板(煤),围岩被湿润弱化,湿润弱化范围逐渐向四周扩展。现场试验验证了煤层水力致裂对卸除覆岩高应力、弱化坚硬顶板和提高放顶煤采出率的积极作用。     

射孔角度对水力压裂裂纹扩展影响数值模拟

应用真实破裂过程分析系统RFPA2D20渗流版本,从细观力学角度出发,以赋予材料非均匀性为特点,采用有限元计算方法,通过创建渗流-应力-损伤耦合模型,模拟分析了不同射孔角度条件下的非均质岩体在孔隙水压力作用下的水压致裂过程.模拟分析结果表明,无论射孔角度如何变化,裂纹的发展方向始终趋向最大主应力方向;随着射孔角度的增加,逐渐形成双翼型转向裂纹,射孔方位角越大,裂纹的转向越明显,转向距离越大;0°~30°为最佳射孔方位角.数值模拟结果与实验结果相一致.     

地应力对水压致裂裂纹扩展影响的数值模拟

研究岩石在渗流-应力作用下裂纹萌生、扩展的破坏机制问题,采用岩石破裂过程分析软件对不同地应力水平和含不同倾角裂纹下水压致裂裂纹扩展进行了数值模拟研究,结果表明:在内孔水压作用下,随着地应力由80 MPa逐渐减少到45 MPa时,形成的平直裂纹由垂直于水平主应力方向逐渐向偏离水平主应力的方向发展,同时周围伴随着许多随机裂纹;预制裂纹水压致裂可以看出水压是穿过预制裂纹的,该成果为石油工业提高石油开采率提供了理论基础和科学依据.     

基于XFEM的岩体卸荷过程裂纹起裂扩展规律研究

地下和边坡工程开挖常涉及岩体卸荷问题,采用ABAQUS软件中的扩展有限单元法(extended finite element method,XFEM)对开挖卸荷过程岩体内部裂纹的起裂扩展进行了模拟,通过计算裂纹尖端应力强度因子研究了其起裂特征,并探讨了起裂影响因素,通过记录裂纹扩展形态研究了其动态演化模式.结果表明,卸荷过程中卸荷速率越快,裂纹长度越长,倾角越大,其起裂越容易;并且裂纹面受到的正应力不断减小,剪应力不断增大,裂纹扩展主要由剪应力控制,这与理论分析结果一致.裂纹最终扩展演化形态也与物理试验相近,充分表明运用扩展有限单元法研究岩体裂纹问题的可靠性.     

页岩气储层水力压裂裂纹扩展数值模拟

针对页岩气储层的层状结构致使其水力压裂裂纹扩展不同于常规油气储层问题,采用粘结单元模拟实际的层状储层界面特性的数值模拟方法,建立页岩气储层水力压裂力学模型和反映岩体层状界面的破坏开裂准则,进行层状岩体水力压裂三维数值模拟.得到了储层应力场、孔隙压、裂纹面的损伤和张开度分布以及裂纹扩展的时空变化规律.     

输气管道裂纹动态扩展及止裂技术研究进展

对输气管道裂纹动态扩展和止裂技术的研究工作进行了综合论述。讨论了输气管道裂纹动态扩展的止裂判据及输气管道止裂韧性的确定方法。将输气管道裂纹动态扩展中的流体结构断裂相互作用问题的力学模型归纳为一维梁模型、圆柱壳模型和有限元模型 3种 ,介绍了有限元模型建立的原理和研究方法。研究结果表明 ,对于动态延性断裂的止裂 ,除了预测止裂韧性值 ,还应该预测裂纹扩展长度 ,以控制裂纹扩展造成的危害 ;对于高韧性钢管 ,应用传统的V型缺口夏比冲击实验 (CVN)和落锤撕裂实验 (DWTT)方法预测会产生与断裂无关的显著能量散失 ,因而须改进现有的方法或发展替代性的管道止裂韧性实验方法 ;确定裂纹尖端张开角是一种有发展前途的方法 ;改进现有有限元模拟方法的途径之一是采用适应裂纹扩展情况的重新划分网格技术 ,而不是采用固定网格的方法。     

弹塑性材料动态起裂止裂和裂纹稳态扩展轨迹的试验研究

利用一维试验原理，在冲击拉伸试验装置上实现了周边切口短圆柱试件的动态起裂和动态止裂试验，利用止裂试验中不同的裂纹止裂长度△a和止裂点处的总体柔度，拟合一标定曲线，根据P^-δ曲线上每一点的总体柔度由标定曲线来确定裂纹的稳态扩展轨迹，从而得到裂纹的扩展速度。     

深孔预裂爆破、煤体注水防治瓦斯技术应用

通过对神火煤业公司葛店矿双庙扩大区-700m水平二2煤层瓦斯基本参数和大量实践数据分析的基础上,提出深孔预裂爆破和煤体注水防治瓦斯技术基本参数。并通过对22011工作面采取措施前后瓦斯基本参数的对比,取得了较好的瓦斯防治效果,保证了安全生产,获得了可观的经济效益。     

氢致Ⅱ型裂纹扩展的位错理论

本文利用位错理论研究了Ⅱ型裂纹前方的位错塞积群和其附近形成的氢气团。并首次将氢气团看作弹性夹杂，采用合理的近似，求得了夹杂的本征应变和应力场，研究了氢气团与塞积群的交互作用，求得了塞积群的位错密度和应力强度固子，讨论了氢致开裂的物理过程和裂纹扩展速率。结果指出，氢气团促进裂纹尖端位错源开动，促进滞后塑性变形发生，提高塞积群顶端的位错密度和应力强度因子，促进该处微裂纹的形成和扩展。     

溶剂抽提损伤致裂煤体实验研究

致密煤层中瓦斯的运移和抽排与煤体的致裂损伤有着密切的联系,溶剂抽提致裂煤体、产生裂隙会有助于低渗透性煤层瓦斯的运移.本文对块体煤进行了不同种类溶剂的抽提损伤实验,测定了抽提损伤后煤体的孔隙率变化.溶剂种类对煤体的致裂损伤作用效果显著不同,N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)抽提后的煤体形成了许多裂隙;二硫化碳和NMP混合溶剂体系对煤体的抽提存在协同作用,其对煤体的抽提损伤效应大于单种溶剂;NMP和NMP与二硫化碳混合溶剂抽提后煤体的孔隙率约是原煤体孔隙率的4倍和5倍,煤体的孔隙率增大十分明显;抽提物及抽提残煤体的红外光谱和热重分析表征结果表明,与原煤相比,抽提残煤中的脂肪烃类物质明显减少.     

水力压裂钻孔始裂特点分析

为研究内水压力作用下压裂钻孔的始裂特点,指导煤层渗透率提高中控制措施的采取与实施,在分析煤层结构特点与应力场特点的基础上,用叠加法推出了新的水力压裂钻孔起裂方程,并通过MATLAB程序进行了算例分析,得出了钻孔始裂总体可表现为由表及里、由里至表、多方向多位置同时始裂和发展三种结论,该结论不同于传统应力场中圆形工程体围岩起始破坏过程的特点,并对煤层渗透率提高中控制措施的采取更具有理论指导意义。     

圆孔孔壁裂缝水压扩张的压力参数理论分析

运用水压致裂法和Griffith理论,对地应力场中岩体孔壁水压诱致裂缝扩展过程进行了分析,将孔隙压力作用下孔壁裂纹的扩展过程分为3个阶段,即孔壁破裂、第二次扩展、第三次破裂扩展阶段;且不同的破裂阶段分别对应着不同的水力压力。分析了含内压裂纹的扩展压力与原始地应力场及围岩力学特性的关系,随着岩体埋深由浅至深的逐渐增加,水力致裂圆孔的孔壁破裂压力变化由2个阶段过渡为3个阶段,且存在一个钻孔位置的临界埋深。为实际坚硬顶煤水力弱化的试验设计提供了依据。