煤炭科学技术

作者：蒋长宝, 杨毅毫, 刘辉辉, 郭建泉, 付银兰, 吴家耀,

关键词：天然裂缝, 地应力, 水力压裂, 裂缝扩展, 纳米压痕,

水力压裂是提高低渗透高瓦斯煤层抽采效率和瓦斯产量的有效方法之一。由于煤层中存在丰富的天然裂缝，天然裂缝与水力裂缝相互作用会使水力裂缝的起裂和扩展形式呈现出复杂多样性，从而影响煤层的增透效果。为研究水力压裂煤在天然裂缝作用下的起裂和扩展规律，利用自主研发的多功能真三轴流固耦合试验系统开展了煤的水力压裂试验。基于“孔壁应力集中诱发拉伸破裂”理论研究了水力压裂煤的裂缝起裂规律，并结合断裂力学从细观角度揭示了水力压裂煤的裂缝扩展机制。研究结果表明：天然裂缝的存在会诱导水力裂缝沿着天然裂缝方向扩展，极大降低了煤岩的起裂压力。不含明显天然裂缝煤岩压裂所需的起裂压力与根据拉伸破坏起裂准则计算的理论起裂压力结果相近，符合“孔壁应力集中诱发拉伸破裂”准则；含明显天然裂缝煤岩压裂所需的起裂压力均小于根据拉伸破坏起裂准则计算的理论起裂压力，且当天然裂缝方向垂直于最小主应力方向时，所需的起裂压力较小，为3.355 MPa；当天然裂缝平行于最小主应力时，所需的起裂压力仅大于最小主应力，为7.902 MPa。水力裂缝类型为I型时，不含明显天然裂缝煤岩的实测最小和最大扩展压力值均大于理论计算最小和最大扩展压力值，差值范围分别为2.043～6.845 MPa和3.951～8.576 MPa；当煤岩含明显天然裂缝且天然裂缝方向平行于X方向时，水平应力差的存在将引起煤岩的实测扩展压力值小于理论计算的扩展压力值。水力裂缝类型为Ⅱ型或I-Ⅱ型时，随着水力裂缝长度的增加，裂缝扩展所需压力逐渐减小。

来源：2024年第5期

《煤炭科学技术》期刊编辑部

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