煤炭科学技术

作者：陆泳鑫, 胡胜勇, 李国富, 武玺, 路佳旗, 杨育涛, 张村, 苏燕,

关键词：采空区, 下伏煤层, 煤层气, 水力压裂, 损伤变量, 裂缝扩展,

采空区下伏煤层气资源储量丰富，长期未能有效开发。水力压裂技术是一种提高煤层气采收率的有效手段，上覆煤层的开采与重新压实会直接影响采空区下伏煤层水力裂缝的扩展行为。通过大尺寸(300 mm×300 mm×300 mm)真三轴水力压裂试验，分析了不同加卸载应力扰动程度下煤体的力学与声发射响应特征，提出了表征煤体损伤程度的损伤变量T,明晰了损伤与水力裂缝起裂与扩展规律之间的关系。结果表明：采空区下伏煤体垂向应力加载阶段引起的损伤显著大于卸载阶段，垂向加载应力不超过11 MPa时，煤体处于弹性阶段，损伤极少；加载至11～15 MPa，处于屈服阶段，损伤大幅增加；加载至15～18 MPa，处于强化阶段，煤体孔裂隙逐渐被压实。损伤变量T可以有效表征煤体内部损伤程度，Tc为煤体未经过加卸应力扰动时的损伤变量。T = T_\mathrmc时，煤体内部的损伤程度与未经过加卸载应力扰动的煤体损伤程度相当； T>T_\mathrmc 时，煤体呈应力损伤态，T越大，损伤程度越高； T<T_\mathrmc 时，煤体呈应力压实态，T越小，压实程度越高。煤体应力损伤程度与破裂压力呈负相关，高损伤程度使得煤体更容易破裂，井筒近端容易形成主水力裂缝，有利于开展水力压裂。煤体的压实程度与破裂压力呈正相关，高压实程度使得水平应力差对水力裂缝扩展的影响减弱，井筒近端水力裂缝发育，不易形成主水力裂缝，阻碍水力压裂开展。基于研究成果制定了采空区下伏煤层水力压裂施工方案优化原则并在现场应用，优化后的方案水力压裂造缝能力显著提高。

来源：2024年第4期

《煤炭科学技术》期刊编辑部

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