产气具弱化坚硬顶板力学机制及损伤特征分析

摘要

为研究新型压裂装置——产气具弱化坚硬顶板的力学机制及损伤特征,建立产气具多阶段弱化坚硬顶板的动力学模型,计算弱化过程中顶板的有效应力和损伤程度,得到顶板的形态特征和损伤特征演化。结果表明:在产气具燃烧阶段,高压气体预先扩展钻孔周围岩体的原生裂缝;在气压达到压敏材料强度后引发的爆轰阶段,由于冲击波、应力波和爆生气体的共同作用,造成顶板近场粉碎、中场破裂、远场震动。产气具压裂技术弱化后的顶板损伤特征区域,相较于爆破压裂技术,粉碎区半径减小约22%,破裂区半径增大约23%,损伤区半径增大约5%;相较于水力压裂技术,粉碎区半径增大约133%,破裂区半径和损伤区半径减小,但损伤均匀性显著提高。产气具适用于节理、裂缝发育较少的稳定顶板,可充分发挥高压气体的作用效果,其与压敏材料强度、原生裂缝长度均呈正相关,与岩体初始围压呈负相关。结合现场试验效果,验证了产气具弱化坚硬顶板的有效性和优越性。