煤礦堅(jiān)硬難垮頂板水力壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理研究及應(yīng)用.pdf

1、本文以煤礦堅(jiān)硬難垮頂板水力壓裂裂縫擴(kuò)展為研究對(duì)象，采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬、井下監(jiān)測(cè)及試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)堅(jiān)硬難垮頂板水力裂縫擴(kuò)展的機(jī)理及其應(yīng)用進(jìn)行了深入、詳細(xì)的研究。
　　論文主要研究?jī)?nèi)容包括:(1)采用彈性理論和斷裂理論分析堅(jiān)硬巖層常規(guī)鉆孔水力壓裂裂縫開(kāi)裂與擴(kuò)展過(guò)程，并分析水力裂縫擴(kuò)展壓力較高的原因;(2)采用數(shù)值方法分析鉆孔橫向切槽在水力壓裂中的作用，并通過(guò)井下試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證;(3)選擇典型堅(jiān)硬難垮頂板礦井，開(kāi)展堅(jiān)硬

2、難垮頂板水力壓裂裂縫擴(kuò)展的井下試驗(yàn)，分析裂縫的開(kāi)裂與擴(kuò)展特點(diǎn);(4)在晉城王臺(tái)鋪煤礦進(jìn)行堅(jiān)硬頂板水力壓裂技術(shù)井下試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)工作面煤體應(yīng)力及頂板垮落情況，檢驗(yàn)研究成果的合理性。
　　通過(guò)研究得到以下主要結(jié)論:(1)地應(yīng)力的大小、方向和類(lèi)型是水力壓裂鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ);針對(duì)不同的地應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型，合理設(shè)置鉆孔參數(shù)可使裂縫開(kāi)裂所需壓力為最小值;(2)定義水力裂縫擴(kuò)展影響因子D=(P-σ1)/(σ1-σ3)。當(dāng)裂縫開(kāi)裂所需的壓力P遠(yuǎn)大于地應(yīng)力

3、時(shí)，地應(yīng)力對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響較小，裂縫擴(kuò)展近似表現(xiàn)為自相似擴(kuò)展;(3)在常規(guī)水力壓裂過(guò)程中，鉆孔初始開(kāi)裂時(shí)產(chǎn)生的裂縫大多接近于縱向裂縫，此類(lèi)裂縫的擴(kuò)展往往會(huì)導(dǎo)致壓裂作業(yè)的失敗;(4)地應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型的不同時(shí)，水壓對(duì)有橫向切槽及鉆孔周?chē)膽?yīng)力狀態(tài)和影響范圍均不同。水力壓裂過(guò)程中，隨著水壓的不斷增大，橫向切槽端部產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，裂縫在切槽尖端處優(yōu)先開(kāi)裂并向遠(yuǎn)處擴(kuò)展，對(duì)封孔、定向壓裂和降低開(kāi)裂壓力有一定的作用;(5)在堅(jiān)硬難垮頂板水力壓裂試驗(yàn)中，由

4、于受巖層均勻性、滲透性、地應(yīng)力場(chǎng)、巖層結(jié)構(gòu)面等因素的影響，壓力變化呈現(xiàn)出多種形態(tài);對(duì)鉆孔進(jìn)行分段逐次壓裂時(shí)，隨著壓裂段與孔口距離的增大，裂縫開(kāi)裂和擴(kuò)展所需的壓力也相應(yīng)增大，采用分段逐次壓裂可有效弱化頂板巖層;(6)在水力壓裂前后，受水壓與裂縫擴(kuò)展的影響，壓裂鉆孔附近煤層中的主應(yīng)力增量值、傾角和方位角一般均會(huì)出現(xiàn)突變。壓裂結(jié)束后，主應(yīng)力增量得到恢復(fù)，但與壓裂前相比，主應(yīng)力增量均有下降趨勢(shì)，水力壓裂可改變煤層的應(yīng)力狀態(tài);(7)王臺(tái)鋪煤礦堅(jiān)硬