煤岩力学性质测试分析与应用

通过大量煤岩力学性质的测试与分析,证实了试验区煤岩的弹性模量相对低,泊松比较高,脆性大,易破碎,易压缩,且煤岩垂直层理方向上和平行层理方向上的力学性质相比差异较大,帮而应将煤岩视为横观各向同性体来处理。地运用Ｇｕｉｆｆｔｈ断裂理论,试验和研究了煤岩的脆性断裂过程,针对煤岩结构构造和力学性质对水压致裂缝发育特点的影响做了定性分析,并对水力压裂设计与施工提出了有重要参考价值的建议。     

水力裂缝在煤岩界面处穿层扩展规律的数值模拟

为研究水力压裂裂缝在煤层与顶板界面处的穿层扩展规律，在分析煤岩界面性质的基础上，应用有限元法研究煤岩界面处裂缝从顶板起裂后的延伸情况，探讨了相关地质参数和施工参数对裂缝跨界面穿层扩展的影响。结果表明:地质因素中的地应力、煤岩界面强度为煤岩界面处裂缝能否穿层扩展的主要影响因素，垂向应力差异系数越大、界面抗剪切强度越大，越有利于裂缝穿层扩展沟通煤层；煤层与顶板间的弹性模量差异、抗拉强度差异是裂缝从顶板穿层进入煤层的有利因素；现场压裂施工应根据地层情况选择合适的施工参数（排量、注入点与界面的距离）以促进裂缝穿层扩展。研究成果能够为煤层顶板分段压裂水平井地面煤层气高效抽采技术的应用提供参考。      

煤层气井水力压裂同层多裂缝分析

多裂缝理论是水力压裂理论的前沿理论,特别是对裂隙发育、物理力学性质有别于均质砂岩的煤岩,其研究难度较大,面临问题很多。根据弹性力学、岩石力学、断裂力学和流体力学等学科基本理论,结合多裂缝理论与井底压力协同理论,对在天然裂隙发育的煤层同时开启的多裂缝模型进行了分析与计算。结果显示,综合滤失系数、流量、主应力差等均不同程度影响了多裂缝在近井筒区域的汇合相连概率与延伸方向。     

基于地质–工程条件约束的可控冲击波煤层致裂行为数值分析

可控冲击波（CSW）岩层致裂技术作为岩层改造领域的一项变革性技术,已在煤层改造等方面取得显著应用效果,并在煤炭安全开采领域开展应用探索。然而,受实验及现场监测条件限制,前期对地质-工程因素约束下的CWS岩层致裂基本规律理解不足,制约了对致裂机理的探索及现场作业参数的优化。鉴于此,在阐述CSW煤层改造及其面临的工程科学问题基础上,采用基于连续介质力学的离散元方法（CDEM）开展数值模拟,以进一步揭示地应力、煤岩力学性质、冲击波加载条件约束下的CSW煤层致裂行为及其基本规律。结果显示,CSW加载条件对致裂效果的影响存在最优范围,过度加载会导致近井地带煤体崩解,煤粉产出率增加,造成煤储层伤害;同时,煤体破碎导致波阻抗及冲击波衰减速度增大,限制有效改造半径扩展;地应力增大,破裂半径、破裂度存在临界值,水平主应力差对CSW冲击裂隙形态、扩展方位及缝网连通程度存在显著影响。研究揭示,CSW煤岩致裂效果对力学性质的响应存在选择性:弹性模量与破裂半径、破裂度之间存在拐点临界值;黏聚力增大,煤岩脆性变小,致裂效果变差;抗拉强度似乎对CSW致裂效果没有明显影响。研究成果可为CSW作业煤层优选及参数优化措施提供参考。      

声波测井在煤岩弹性力学分析中的应用

煤岩弹性力学性质是煤层顶底板稳定性分析的重要参数,是煤矿实现安全、绿色开采的基础。随着煤矿开采程度和煤层埋深的增加,容易出现顶底板事故,从而影响矿井的安全生产。以往通过岩心测试获取岩石力学参数的方法具有数据离散、费用高、周期长的缺点,已不能满足生产的需要。在对东胜煤田南部的布尔台煤矿钻孔测井和岩心力学测试数据分析的基础上,探索了声波测井与岩石力学参数的关系,建立计算弹性力学性质参数的数学模型,经井检孔验证,相对误差仅0.9%,表明利用声波测井计算力学参数是可信的,并可快速、连续地建立岩石力学剖面。根据岩石力学计算结果,对煤矿主采煤层顶底板岩石的力学性质进行了分析,依据顶底板稳定性评价标准对煤层顶底板的稳定性进行了分类评价。结果表明:研究区主要可采煤层的顶底板多以粉砂岩、细砂岩及砂质泥岩为主,煤层顶板多数为不稳定Ⅰa类层,煤层底板多数为较软Ⅲb类层,煤层顶底板的稳定性较差;主采煤层顶底板硬度差异较大,普氏系数一般小于6,可采掘性较好,适合开展综合机械化开采。     

高pH值流体对煤岩储层的损害评价

煤层气钻井、压裂等作业过程中高pH值工作液必然与煤岩接触,工作液与煤岩接触后将使煤层长期处于碱性环境,将对煤层产生严重损害。为模拟高pH值工作液对煤层造成的损害,以宁武盆地9号煤层为研究对象,针对天然柱状煤样及人造裂缝煤样系统开展了流体pH值逐渐升高对煤层渗透率的影响实验,并针对不同pH值流体开展了毛管自吸、液相返排及应力敏感实验。研究结果表明,煤岩具有较强的碱敏性损害,与地层水相比煤岩对高pH值工作液具有更强的自吸能力且返排率较低,并且煤岩与碱性流体作用后应力敏感性系数增大。结合润湿性测定及扫描电镜分析结果,指出工作液pH值越高,润湿性越强,同时高pH值工作液与煤岩接触后导致煤岩微结构失稳、阳离子交换吸附;高pH值工作液与地层水接触后相互作用生成无机垢以及煤岩具有很强的吸附或吸收各类液体的能力等是引起煤层损害的主要原因,并且碱性流体与煤岩作用后弱化了煤岩力学强度,强化了煤岩的应力敏感性。     

广西晚二叠世主要煤层与对比

概述了广西晚二叠世主要煤层（Ｋ１、Ｋ７、Ｋ８煤层）的一些特征。根据标志层、层间距、古生物化石、煤岩煤质以及煤系沉积旋回等特征,探讨了上述三个煤层的对比途径,指出标志层、煤岩煤质是煤层对比的主要依据。     

鸡西盆地梨树镇坳陷城子河组煤岩物理力学特性实验研究

鸡西盆地煤炭资源丰富,其南部的梨树镇坳陷城子河组厚度大,含煤性好,是煤层气勘探开发的重点区域。为了解该区煤岩物理力学特性,选取城子河组23#煤层岩样进行实验研究。通过测定岩样的泊松比、弹性模量、内聚力以及内摩擦角等力学参数,确定该层煤岩具有低弹性模量、高泊松比和大脆性的特性。分析煤岩物性参数得出:随着应力增加,煤岩渗透率呈指数下降,不利于煤层气的开采,而温度对煤岩渗透率影响较小;煤岩的孔隙度主要集中在3.6%~6.1%,平均约4.98%,程度偏低,中孔和小孔比较发育;低阶煤和中阶煤煤样的排驱压力相差较大,中阶煤煤样压力值较小,渗透性好;结合中值半径和退汞效率的实验数据,显示该区煤储层的渗透性整体较差。     

华北地区煤层气井压裂裂缝监测及其扩展规律

介绍了井温测试法、放射性同位素法、大地电位测试法和微地震测试法监测煤层水力压裂裂缝的基本原理。使用上述4种方法对华北地区施工的煤层气井压裂裂缝进行测量,得到了大量压裂井的裂缝方位和高度的监测数据。通过统计分析发现:压裂后的煤层裂缝一般都穿越其上下隔层,最大裂缝高度是压裂层厚度的6倍,裂缝长度大部分为50~90 m,裂缝形状基本以垂直裂缝为主,裂缝方向存在着随机性,扩展方向受地应力、局部地层构造和煤层割理共同作用。      

高煤级煤储层成岩特征及其力学响应间关系研究

利用沁水东北地区高煤级烟煤物性、力学、声学及薄片等分析资料对煤储层成岩作用特征与力学响应间关系进行了探讨,主要包括:压实作用与应力加载间关系;溶蚀作用及裂缝与力学响应间关系;脉体—蚀变矿物与有效应力系数α、屈服应力及动力学参数间关系。结果表明:该区煤层经历了较强压实及变质作用,压实作用对煤储层纵向物性及强度变化具有一定影响;区内煤岩发育的微裂缝往往伴随一定溶蚀,未充填溶蚀孔缝及张性缝往往导致煤岩三轴强度及弹性模量降低,泊松比升高;有效应力系数α、屈服应力及部分动态力学参数与煤岩中方解石脉体及蚀变矿物含量或填充程度具有较好对应关系。随着煤岩中脉体及蚀变矿物填充程度的增加,煤岩非均质性加强,有效应力增加,渗透性降低,由此可以利用力学参数响应特征对煤岩孔、渗、成岩、裂缝等方面进行综合研究,从而制定合理煤层气储改、排采开发方案。     

预制横缝条件下水力裂缝的起裂和扩展

针对高角度天然裂缝发育地层中的水平井水力压裂问题,开展了水力裂缝自天然裂缝处起裂扩展的理论和试验研究。尝试将天然裂缝简化为与井筒轴线垂直的横向裂缝,基于线弹性断裂力学理论和最大拉应力准则,给出了水力裂缝起裂压力和扩展过程中应力强度因子的计算方法。利用预制横缝模拟高角度天然裂缝,开展了室内水力压裂试验,对水力裂缝的扩展形态和起裂压力进行了研究。理论计算表明,（1）水力裂缝自预制横缝端部起裂后,扩展距离超过1倍的预制横缝端部半径时可将预制横缝和水力裂缝合并起来,整体视作一条横向裂缝来计算应力强度因子;（2）水力裂缝尖端距井壁处的距离大于4倍的井筒半径时,应力强度因子的计算可忽略井筒的影响,近似采用硬币形裂缝的计算公式。试验研究发现,（1）水力裂缝在预制横缝端部起裂并扩展,形成与井筒轴线垂直的横向裂缝,裂缝的扩展呈现出Ⅰ型断裂的特点,形态近似呈圆形,未发现与井筒轴线平行的纵向裂缝的起裂和扩展;（2）排量对破裂净压力和起裂净压力有重要影响,大排量会导致较高的破裂净压力和起裂净压力,在大、小两种排量下起裂净压力的离散性均较小,计算得到的KⅠ临界断裂值的离散性也较小。研究结果可为改善裂缝发育储层的近井裂缝形态提供指导,也可为煤矿开采中预制横向切槽的水力压裂设计提供参考。     

不同煤体结构煤的水力压裂裂缝延伸规律

查明不同煤体结构煤水力压裂时裂缝延伸规律能为合理井网部署奠定基础。以沁水盆地柿庄区块为研究对象,对钻井煤心裂隙进行观测,划分出4种裂隙发育程度煤。基于岩体力学理论,建立了水力压裂过程中裂缝尖端应力场计算模型和水力裂缝能否穿过天然裂隙的判断准则。根据煤层气井实测资料,验证了理论分析的可靠性,得出了不同煤体结构煤的水力压裂裂缝延伸规律。结果表明：考虑诱导应力前后,2组天然裂隙发育煤的水力裂缝延伸规律不同,随着缝长增加,诱导应力随之增大,水力裂缝单一延伸方向变为双向延伸;1组天然裂隙发育煤的发育方向与最大主应力方向夹角较小,导致考虑诱导应力前后水力裂缝的延伸方向变化不明显,整体延伸趋于天然裂隙发育方向;在粒状偶见及粉状无裂隙发育煤中,水力裂缝总是沿着最大主应力方向延伸。研究成果为该区不同应力和裂隙发育下井网合理布置提供了理论依据。     

Cracking mechanism of coal under high-pressure water jet and its applications for enhanced coalbed methane drainage

This paper is concerned with the mechanism of coal breakage under high-pressure water jet (HPWJ) and its applications. A model of HPWJ impinging on coal target was established to study the cracking mechanism of coal under impact load. The characteristic and pressure distribution of HPWJ, the propagation characteristics of stress wave in coal, the mechanical properties of different coal particles, and the fracture characteristics of coal under HPWJ erosion were investigated theoretically and numerically. The results show that the shock wave and water wedge pressure are the main factors that cause coal breakage and crack propagation. The damage to the far-field coal particles affected by HPWJ is primarily caused by tensile stress, and the damage to the near-field coal particles affected by HPWJ is caused by the coupled effects of tensile stress and compressive stress. An erosion cavity is formed in the coal model with diameters of 1.25 to 2.5 times that of the jet at different depths. Meanwhile, the strong quasi-static pressure at the crack discontinuities further promotes the propagation of radial cracks around the erosion cavity to form a fracture zone, and the diameter of the fracture zone at different depths is 3.5 to 4.0 times that of the jet. In addition, the results of field application show that there is a significant difference between the methane parameters in the hydraulic flushing borehole and the conventional borehole; the average methane volume fraction and the average methane flow rate in hydraulic flushing boreholes are 3.85 and 3.67 times, respectively, that in conventional boreholes. Indicating hydraulic flushing can effectively promote the initiation and propagation of coal cracks. These results are of great significance to improve coalbed methane drainage technology and prevent gas disaster accidents in coal mines.     

危岩水力劈裂分析的扩展有限元法

危岩是三峡库区典型的地质灾害类型之一,而主控结构面受荷断裂扩展是危岩发育成灾的关键核心。将危岩主控结构面类比为宏观裂纹,利用扩展有限元法在模拟裂纹扩展方面的优势,基于考虑裂纹面水压力作用的虚功原理推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的控制方程,给出了危岩主控结构面水力劈裂问题的扩展有限元实现方法,对重庆万州太白岩危岩主控结构面的水力劈裂进行了数值模拟分析。计算结果表明：暴雨是威胁危岩稳定性的最敏感因素,随着裂隙水压力上升,裂端拉应力会急剧升高,危岩的稳定性降低;I型裂纹扩展是危岩主要的结构面扩展形式,结构面一旦发生开裂,将处于非稳定扩展状态。     

Modeling the connectivity and intersection of hydraulically loaded cracks with in situ fractures in rock

The interaction of an advancing hydraulically loaded crack and in situ fracture network can yield highly complex patterns. We model the connectivity of cells in a finite element domain and in a fracture network by a simplicial complex data structure. The complete adjacency information between cells is determined by one level down facet and one level up cofacet neighborhood information. Combined with a disjoint set data structure, explicit algorithms are derived to efficiently track network connectivity and load transfer between independent fracture sets. We also propose an approach to regularize the application of hydraulic load to newly intersected in situ cracks to smoothen the transition of pressure on intersected cracks from ambient to hydraulic pressure and to avoid the sudden loading of the entire length of these cracks. Numerical results demonstrate the performance of crack connectivity and load transfer models and the effect of regularization model. The results show that as the angle between an incoming hydraulically loaded crack and an in situ crack increases, the effect of in situ crack shifts from slight realignment to diversion/offsetting of the loaded crack. As the angle difference approaches the normal angle, the loaded crack tends to penetrate through the in situ crack. The proposed schemes are also used for transient simulation of 2D reservoirs with multiple perforations surrounded by in situ cracks with and without a bias in the distribution of their orientation. It was shown that from 2 perforations with angles closer to in situ cracks at low loading rates to all perforations at higher loading rates can result in active hydraulic crack propagation. The h‐adaptive method of asynchronous space‐time discontinuous Galerkin method is used to exactly track complex fracture patterns in these dynamic fracture simulations.     

P波对大体积混凝土裂缝的扩展作用研究

根据断裂动力学理论及弹性P波与裂缝相互作用的分析,利用混凝土的动态断裂韧度,研究了大体积混凝土深层或贯穿裂缝在爆炸应力波P波作用下的扩展,得到了含裂缝混凝土的安全质点振动速度,并讨论了P波频率及其入射角对安全质点振动速度的影响。结果表明,频率越低、入射角越大的应力波对混凝土裂缝的扩展作用越大,频率为10 Hz垂直入射条件下,混凝土裂缝不扩展的安全质点振动速度仅为0.95 cm/s,与水利水电工程施工组织设计手册中规定的混凝土重力坝、混凝土闸墩等大体积混凝土结构的安全振速5 cm/s有较大差距,含裂缝混凝土更加容易被破坏。     

煤岩水力压裂裂缝扩展形态试验研究

通过室内水力压裂物理模拟试验系统,对大尺寸原煤进行了水力压裂模拟试验,根据水力裂缝的空间展布形态分析了煤岩储层水力裂缝的延伸规律,揭示了网状裂缝的形成机制。结果表明：水力裂缝易在弱层理处分叉和转向,发育的层理和裂缝系统等结构面为压裂形成裂缝网络提供了前提条件。泵压曲线呈现出的频繁波动是煤岩内产生网状裂缝的一个显著特征。水力裂缝的起裂与延伸有4种基本模式,裂缝网络的形成多为这4种基本模式的组合。地应力差异系数和泵注排量对煤层水力裂缝形态有较大影响。较小的地应力差异系数更利于网状裂缝的形成;较高的压裂液排量易形成相对简单的裂缝形态,导致压裂改造效果较差。该试验方法和试验结果可为现场水力压裂参数设计和优化提供参考和依据。     

基于水压致裂法的岩石抗拉强度研究

为了揭示水压致裂法和巴西劈裂法测量岩石抗拉强度的关系,开展了理论和现场试验研究。基于经典的水压致裂法理论,推导了不同围压下钻孔破裂压力和抗拉强度。利用断裂力学理论建立了水压致裂法和巴西劈裂法测得抗拉强度的关系。利用预制切槽方法模拟天然裂纹,对水力裂缝的起裂压力进行了研究。结果表明：围压为最大主应力等于3倍最小主应力测得的抗拉强度大于围压为0测得的抗拉强度;水压致裂法和巴西劈裂法测量抗拉强度关系与应力场、裂纹长度、断裂韧度3个变量有关;通过在晋城矿区王台铺矿的预制切槽试验,运用断裂力学建立的抗拉强度计算式更为符合现场实际。研究结果可为坚硬难垮落顶板预制切槽的水力压裂设计提供参考。     

Numerical modeling of hydraulic fracture propagation,closure and reopening using XFEM with application to in‐situ stress estimation

In this paper, a fully coupled model is developed for numerical modeling of hydraulic fracturing in partially saturated weak porous formations using the extended finite element method, which provides an effective means to simulate the coupled hydro‐mechanical processes occurring during hydraulic fracturing. The developed model is for short fractures where plane strain assumptions are valid. The propagation of the hydraulic fracture is governed by the cohesive crack model, which accounts for crack closure and reopening. The developed model allows for fluid flow within the open part of the crack and crack face contact resulting from fracture closure. To prevent the unphysical crack face interpenetration during the closing mode, the crack face contact or self‐contact condition is enforced using the penalty method. Along the open part of the crack, the leakage flux through the crack faces is obtained directly as a part of the solution without introducing any simplifying assumption. If the crack undergoes the closing mode, zero leakage flux condition is imposed along the contact zone. An application of the developed model is shown in numerical modeling of pump‐in/shut‐in test. It is illustrated that the developed model is able to capture the salient features bottomhole pressure/time records exhibit and can extract the confining stress perpendicular to the direction of the hydraulic fracture propagation from the fracture closure pressure. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

冰煤断裂韧度的测试研究

通过对冰煤在-30℃低温状态下的断裂韧度K_IC的测试试验, 得出了在不同预制裂纹长度条件下冻结煤体的断裂韧度变化情况. 试验中制备了三点弯曲试样并制作了低温环境下的三点弯曲实验装置, 对冰煤的试样制备、试验装置、 K_IC计算公式以及裂纹尖端塑性区的大小等断裂力学问题进行探讨, 并且对试样尺寸的有效性进行了验证. 结果表明, 断裂韧度K_IC与裂纹深度a/W的变化方向相反, a/W越大, K_IC越小, 此时裂纹越易开裂.