深井微裂隙水力压裂注浆数值模拟研究

摘要

随着我国经济的飞速发展，煤炭在我国能源结构中占65%以上，90%以上的煤炭产量来自井工开采，由于浅部煤炭资源的枯竭，且已探明储量中约50%的煤炭埋深超千米，对深部资源的开采迫在眉睫，可深井井筒微裂隙注浆堵水技术仍然是深井建设难题之一。
　　近年来我国的煤炭开采逐渐向深部进军，采用注浆的方式来解决立井筒涌水问题，但注浆是一种隐蔽的工程，一方面，深井高水压下微裂隙具有良好的透水性，另一方面，对浆液在岩体中渗透过程的研究不深入，使得注浆堵水后，井筒总漏水量仍超过验收规范上限。因此，本文一方面从水力压裂技术入手，对深井微裂隙进行扩缝，研究裂缝的扩展规律及影响因素，另一方面在水力压裂基础上进行扩缝注浆，分析浆液的扩散规律。本文采用理论分析、数值模拟的方法进行以下研究：
　　（1）分析深井水力压裂的破坏机理，推导了深井破裂压力公式，并在考虑岩层的孔隙度与流体密度后，分析对地层破裂压力的影响；
　　（2）以国内深井某矿为例，用数值模拟方法从地应力、水力压力、弹性模量、天然裂缝等四个因素，分析对裂缝尖端最大主应力、裂缝的扩展长度、最大缝宽和扩展角度的影响；
　　（3）基于流固耦合理论，在水力压裂扩缝的基础上，从浆液扩散的时间效应、注浆压力的径向衰减、孔隙比对浆液扩散的影响以及注浆后孔隙水压力的变化等四个方面分析研究浆液的扩散规律。
　　本文通过理论分析和数值模拟相结合的方法对深井水平裂缝扩展规律以及注浆的扩散规律进行研究，得出深井水力压裂注浆的扩散规律，期望通过研究得到的规律解决深井注浆困难的情况。本文为研究深井注浆提高堵水效果提供一种新的思路，对地质条件类似的深部矿井的开采具有重要的指导意义。

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ABSTRACT

Contents

1 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1破裂压力的研究现状

1.2.2裂缝扩展的研究现状

1.2.3裂隙注浆的国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

1.4研究方法与技术路线

1.4.1研究方法

1.4.2技术路线

2 深井水力压裂的破裂压力计算

2.1深井水力压裂破坏准则

2.1.1拉伸破坏准则

2.1.2剪切破裂准则

2.2深井水力压裂破裂压力计算

2.3工程实例计算

2.4本章小结

3 深井裂缝扩展规律的数值模拟

3.1深井裂缝扩展的理论基础

3.1.1应力强度因子与断裂韧性

3.1.2 J积分

3.1.3断裂准则

3.1.4裂缝扩展准则

3.2模型的建立

3.3影响裂缝扩展的因素

3.3.1水压对裂缝扩展情况的影响

3.3.2地应力对裂缝扩展情况的影响

3.3.3弹性模量对裂缝扩展情况的影响

3.3.4 天然裂缝对裂缝扩展情况的影响

3.4本章小结

4 深井微裂隙压裂注浆数值模拟

4.1数值模型建立的理论基础

4.1.1扩缝注浆的理论基础

4.1.2流体渗流规律

4.1.3连续性方程

4.1.4稳定渗流基本微分方程

4.2模型的建立

4.2.1创建模型的基本假定

4.2.2创建分析模型

4.2.3有限元模型网格划分

4.2.4确定材料特性

4.2.5有限元材料本构模型

4.2.6确定模型边界条件

4.2.7生成分析步，输出结果及变量

4.2.8提交job分析

4.3压裂注浆的扩散规律

4.3.1浆液扩散的时间效应分析

4.3.2注浆压力的径向衰减规律

4.3.3孔隙水压的对比分析

4.3.4孔隙比对浆液扩散距离的分析

4.4本章小结

5 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致 谢

攻读硕士期间成果