煤体水力压裂声发射监测及失稳破裂特征实验研究

摘要

水力压裂技术能够润湿及破碎煤体，释放出煤体弹性能及转移集中应力，在煤矿中具有减尘、防治冲击地压、预先释放部分瓦斯、弱化坚硬顶板等作用。
　　本文采用理论分析、实验室实验、数值分析的综合方法进行煤体（原煤及配比煤）水力压裂影响因素及起裂扩展机理研究，主要包括以下内容:
　　(1)根据实验需要，自主研制水力压裂拟三轴实验系统，进行了不同围压、不同流量下的水力压裂实验。探究围压、注水流量对起裂机制的影响，通过应变变化反应孔壁微观变形，声发射定位宏观监测裂缝形成、扩展和贯通的动态演化过程，实现了水力压裂的有效监测;
　　(2)孔壁出现拉伸变形或压缩变形，呈现分区变形的特征。压缩变形具有良好的可恢复性，而拉伸变形则留有较大残余变形;随着主应力差的减弱，试样本身的各种内部缺陷和弱结构对裂缝的形成起到主导作用，主裂缝数目增多，多条主裂纹均匀扩展，次级裂缝也越加丰富，裂缝扩展路径更加曲折;
　　(3)随着流量的增大，孔壁应变速率越大，且原煤的应变速率明显高于配比煤的应变速率;配比煤和原煤的起裂压力都具有增大的总体趋势，但并未随流量的增大逐渐增加，出现了不同程度的波动，尤其是对原煤来说，有较大的波动;
　　(4)利用RFPA2D软件模拟分析不同围压、不同流量下水力压裂实验过程中的应力场及声发射变化规律，与水力压裂实验结果大致相符;并分析了钻孔布置方式、水力割缝等对水力压裂的影响。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容及研究方法

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究方法

1．4 主要创新点

2．水力压裂理论及其力学分析

2．1 注水对煤体力学性质的影响

2．2 水力压裂流-固耦合作用分析

2．2．1 煤体的结构特征和渗流特性

2．2．2 水压力下的强度准则

2．2．3 渗流-应力耦合作用分析

2．2．4 渗流-损伤耦合基本方程

2．3 水力压裂的作用及影响因素

2．3．1 煤体水力压裂的作用

2．3．2 煤体水力压裂的影响因素

2．4 水力压裂过程中的临界压力

2．4．1 钻孔围岩性质

2．4．2 水力压裂过程中的临界压力

2．5 本章小结

3 水力压裂拟三轴实验系统研制及试样的力学测定

3．1 实验加载系统

3．2 实验监测系统

3．3 原煤与配比煤力学性质的测定

3．3．1 原煤力学性质测定

3．3．2 配比煤力学性质测定

3．4 本章小结

4 水力压裂裂缝扩展特征实验研究

4．1 实验步骤及实验原理

4．1．1 实验步骤

4．1．2 实验原理

4．2 不同应力状态下的水力压裂实验

4．2．1 裂纹形态分析

4．2．2 水压-应变曲线

4．2．3 孔壁应变与声发射行为的响应机制

4．3 注水流量对实验结果的影响

4．3．1 水压-应变曲线

4．3．2 应变速率分析

4．3．3 起裂压力分析

4．4 实验结论

5 水力压裂数值模拟

5．1 物理力学及渗透性参数的确定

5．2 不同应力状态下的起裂规律

5．3 不同注水量下水力压裂数值模拟

5．4 钻孔布置方式对起裂的影响

5．4．1 不同侧压系数九下多孔水力压裂

5．4．2 控制孔不同稳压下的起裂特征

5．5 割缝导向水力压裂

5．6 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果