基于水力压裂的深部三维地应力测量及增透机理研究

摘要

瓦斯是我国煤矿开采的一个重要危险源，严重影响着矿井的安全生产，历来都是煤矿灾害治理工作的重中之重，但同时瓦斯又是一种清洁高效的能源。因此，进行煤与瓦斯安全共采将是我国未来煤矿瓦斯灾害防治与环境保护的发展趋势。然而，由于我国煤层普遍具有变质程度高、渗透率低、煤层瓦斯含量高、压力大的特点，决定了我国绝大多数矿井在自然条件下抽采煤层瓦斯的难度较大。考虑到构成渗透性的煤体孔隙—裂隙系统对地应力非常敏感，因此，充分了解一个地区的地应力分布特征，并开发一套系统的卸压增透抽采技术对煤与瓦斯共采具有重要的理论意义和实践价值。
　　本文以松藻煤电有限责任公司逢春煤矿为研究背景，在分析整个松藻矿区区域地应力场的前提下，基于矿山目前采用的水力压裂试验对矿区5个测点进行了地应力实测，并结合理论分析和声发射实验对测量结果进行了对比分析，从总体上掌握了该矿地应力场的分布状况。在此基础上，通过水力压裂现场试验，结合实验室试验、理论分析和数值模拟等手段，对水力压裂卸压增透机理进行了研究，主要完成的工作及获得的研究成果如下：
　　①采用MTS815岩石力学电液伺服试验系统和岛津AGI-250kN型伺服材料试验机设备，对现场取样、室内加工的试件进行巴西劈裂试验及单轴、三轴压缩试验，获得了压裂煤层顶底板岩样的基本力学参数，并利用Hoek-Brown经验强度准则对试验结果进行修正，为数值模拟试验提供了基础数据；
　　②通过现场5个试验点水力压裂实测得到的垂直于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力，结合理论公式计算出的试验点垂向应力和侧向应力大小，以及对标准岩石试样进行声发射试验所得出的三维地应力大小公式和最大水平主应力方向，综合三者间的关系，得出了逢春煤矿地应力场的分布规律，为后续煤岩体的起裂压力、裂缝扩展及增透机理的研究奠定了良好的基础；
　　③在对钻孔周围应力进行理论分析的基础上，通过对水力压裂技术卸压增透机理的研究，建立了水力压裂的理论计算模型和数值模型，得到了压裂过程中煤岩体裂缝的空间几何形态及抗拉强度、厚度对增透效果的影响；
　　④通过对井下水力压裂后压裂孔孔内应力、压裂影响半径和瓦斯抽采效果等参数的分析研究，证实了水力压裂工艺增透效果明显，有利于瓦斯的抽采，为煤与瓦斯安全共采发挥了有力作用。

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1 绪 论

1.1 课题的提出及研究意义

1.2 国内外研究现状与文献综述

1.3 研究存在的主要问题

1.4研究目的、内容及技术路线

2 岩体物理力学性质试验研究

2.1 试样采集与加工

2.2 抗拉强度巴西劈裂试验

2.3 单轴压缩抗压强度试验

2.4 三轴压缩试验

2.5 试验结果修正

2.6 本章小结

3 深部三维地应力场研究

3.1 工程地质背景

3.2 区域地应力场分析

3.3 水力压裂法三维地应力测量

3.4 声发射法三维地应力测量

3.5 理论解析法三维地应力计算

3.6 本章小结

4 水力压裂卸压增透机理研究

4.1 理论模型分析研究

4.2 数值模拟分析研究

4.3 本章小结

5 水力压裂卸压增透效果现场考察研究

5.1 压裂孔孔内应力考察

5.2 压裂影响半径考察

5.3 瓦斯抽采效果考察

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果目录：

C. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利：

D. 作者在攻读硕士学位期间获得的奖励：