水力耦合作用下含三维裂隙类岩石材料的破裂力学行为及声发射特征

水力耦合作用下裂隙岩体的破裂力学行为及声发射特征是关系到地下工程安全建设与灾变预测预警的关键问题。利用水泥砂浆材料及声发射技术开展了室内压缩破裂试验,研究了无水及水力耦合条件下含三维裂隙试件的破裂模式、力学特性、声发射特征以及水压和裂隙倾角的影响,分析了声发射信号主频特征随岩体破裂状态的变化规律。试验结果表明:随裂隙倾角增大,试件破裂模式经历了张拉为主-拉剪复合-剪切为主的转变过程;水压增大增强了试件张拉破裂模式,而剪切破裂模式在一定程度上被削弱;随水压升高,起裂应力、损伤应力和峰值强度均持续降低,水压对起裂应力及峰值强度的影响程度存在阈值(4 MPa);试件破裂过程中声发射撞击率变化呈现明显阶段性特征,从而为起裂和损伤应力判定提供了依据;试件不同破裂状态下的声发射信号呈现不同主频特征,相对高、中、低频波的主频值域区间具有非连续性,低频和高频信号占比与试件破裂状态存在对应关系,因此可为岩体破裂状态的预测预警提供参考信息。     

类岩石材料三维裂纹传播规律试验研究

对含有预制三维裂纹的脆性类岩石材料进行了单轴加载试验,结合声发射实时监测及静态CT检测技术,研究三维裂纹声发射特征及传播破裂规律。试验结果表明:试件单轴强度、起裂强度、起裂位移随裂纹深度增加而减小,对于深裂纹试件,剪切裂纹与次生裂纹的传播扩展是试件破坏失稳的关键,破坏形式以剪切破坏为主,并出现沿裂纹延伸方向的横向破断;Ⅰ型破坏起裂导致应力-应变曲线出现阶梯状波动,AE信号出现峰值,破裂后回落到峰前水平,裂纹稳定传播,Ⅱ型破裂起裂能量为Ⅰ型破裂的8~10倍,起裂后AE信号突变式增长;试件内部拉伸裂纹以裂纹中心线为对称轴向两端传播,整体形成反对称向外扩展花瓣形结构,半圆形部分拉伸裂纹起裂角度随着裂纹深度的增加而增大,剪切裂纹、次生裂纹大量发育,预制裂纹尖灭后形成了沿预制裂纹方向横向剪切裂纹面。     

单轴加载条件下页岩层理角度对水力压裂缝扩展规律影响研究

水力压裂作为一种改造储层渗透性、压裂增产的技术,对页岩气开采具有重要意义。为研究射孔附近水力压裂过程中页岩各向异性特征对破裂压力及裂缝扩展的影响规律,开展了单轴试验条件下不同层理角度的页岩水力压裂试验。研究表明:页岩的破裂压力存在明显的各向异性,破裂压力随层理角度的分布曲线呈U型分布,其中0°和90°破裂压力最大,30°最小;页岩的破裂形态主要有两种,一种为沿着最大主应力方向即竖直方向起裂并延伸,另一种模式为裂缝先沿着最大主应力方向起裂并延伸,延伸过程中直接穿过层理面,随后渐渐转向为沿层理面方向扩展;破裂机制则包括拉张破坏和拉张剪切混合破坏。研究结果对于深入了解页岩裂缝起裂和延伸机理、水力压裂施工设计等具有重要的意义。     

基于数字图像相关方法的裂隙砂岩应变场演化规律及前兆识别

目前数字图像相关方法在岩石力学领域的应用主要集中于获取变形场云图,缺乏结合一些指标对变形数据进行定量分析。采用数字图像相关方法对裂隙砂岩试件压缩加载过程进行非接触式、实时变形测量,结合方差量化描述应变场分异特征;而后对应变场方差变化曲线进行有限差分求导,量化描述应变场分异速率,分析应变场演化规律及前兆特征。研究结果表明:裂隙砂岩试件的变形破裂过程可划分为压密、弹性变形、裂纹稳定扩展、裂纹快速扩展及破坏等4个阶段。加载过程中裂隙砂岩试件的裂纹萌生和扩展行为,在应变场上表现为应变局部化带的产生与发展,进而导致应变场方差和分异速率发生变化。应变场方差-轴向应变曲线表现出阶段性特征,可划分为稳定分异、加速分异以及加加速分异等3个阶段。应变场分异速率-轴向应变曲线在张拉裂纹起裂时均出现第一个尖峰,可作为裂隙岩体失稳破坏前的前兆信号,对应的前兆应力与峰值应力之比为0.80～0.96。研究成果对工程岩体失稳预测具有较好的理论参考价值。     

基于DIC的3D打印交叉节理试件破裂机制研究

为研究交叉节理的存在对岩体破裂机制的影响,采用3D打印技术制备了可模拟岩体交叉结构面的节理模型,通过相似材料浇筑形成含预制交叉节理的试件,并基于数字图像相关技术（DIC）分析了单轴压缩下试件裂纹起裂、扩展及破坏模式。研究结果表明：采用3D打印技术制作的闭合节理模型,可以有效替代传统的切割、插缝等方法形成的张开型节理裂隙。基于此展开的试验结果表明,交叉节理存在会显著降低试件强度,且随着交叉角度的增大,试件强度先升高后降低,在45o和60o之间达到最大值,峰值应变与强度呈现相反的变化规律;裂纹扩展过程可分为微裂隙闭合阶段、微破裂发展阶段、主节理起裂扩展阶段和次节理迅速延伸阶段,这与应力?应变曲线各阶段一一对应。研究还发现,在交叉节理岩体中,次节理对破裂的影响主要体现在峰后阶段,结合最大畸变能理论表明,其对主节理尖端应力分布影响较小,主节理对岩体的破坏起绝对控制作用,这对岩体工程有一定的指导意义。     

岩石应变软化变形特性及损伤本构模型研究

对滇藏铁路三江段的花岗岩进行了单轴和常规三轴压缩试验,研究了岩石在不同围压条件下的变形特性及其损伤演化规律。试验结果表明:该岩石压缩变形过程中,内部裂隙的演化经历了无起裂、起裂并稳定扩展、加速扩展、扩展变缓以及扩展停止5个阶段,且围压对岩石变形特性有显著影响。在此基础上,提出了基于有损微元生成的损伤演化模型,建立了三轴压缩条件下岩石应变软化损伤本构模型。该模型能够统一描述岩石峰前及峰后全部变形特性及其损伤演化规律,且损伤方程形式简单、参数物理意义明确。理论结果和试验数据具有很好的一致性,且参数分析结果也表明了该模型的合理性。     

单裂隙砂岩单轴压缩的中等应变率效应颗粒流模拟

加载速率对裂隙岩体的力学性质及变形破坏均有重要影响。利用二维颗粒流程序PFC2D开展了不同倾角非贯通单裂隙砂岩试件的单轴压缩试验,研究了中等应变率对裂隙砂岩应力-应变曲线特征、裂隙尖端应力状态、特征应力状态、岩体损伤及裂隙扩展等力学响应的影响规律。裂隙岩体应力-应变曲线呈现明显的波动性,定义应力突变指标 对应力突变型波动剧烈程度进行了定量统计分析：随应变率的增加,曲线应力突变波动越剧烈,且峰后明显大于峰前;随裂隙倾角的增大,波动幅度峰前增大,而峰后减小。裂隙尖端破裂应力随应变率增大均有所提高,随裂隙倾角的增大,切向剪应力 总体上呈增加变化,而法向应力 明显减小。尖端破裂时岩样加载应力 、岩样临界扩容应力 及峰值应力 均随应变率增大而增大。裂隙尖端的破裂可立即引起岩体扩容,一般应变率越低,岩体裂隙尖端破裂点 和扩容点 越接近峰值强度 。随着应变率的提高,损伤裂纹及宏观裂隙类型越多,岩体试件损伤破裂程度越强,特别是试件端部效应愈显著。裂隙首先以I型翼裂纹在其尖端起裂,而I型翼裂纹的扩展长度与加载速率与裂隙倾角具有较强的相关性。     

干湿循环作用下岩桥破裂演化及前兆异常定量识别研究

为探究干湿循环作用下锁固段型岩质边坡内部岩桥的破裂演化及前兆异常,对岩桥试件开展不同干湿循环次数下的单轴压缩试验。基于数字图像相关(DIC)技术,实现加载过程中试件全场变形的实时测量,通过求解位移矢量识别裂纹扩展类型。引入协方差矩阵,定量描述应变场多元分量的离散程度,提出一种识别岩桥应变场前兆异常的方法,并分析干湿循环作用的影响规律。研究结果表明：随着干湿循环次数的增加,岩桥的起裂应力和抗压强度均逐渐劣化。岩桥中裂纹发展时,周围岩石的位移矢量会发生明显的差异,共识别出两种基本裂纹,即张拉裂纹和剪切裂纹。裂纹起裂和贯通所需的轴向应力随着干湿循环次数的增加而逐渐减小。应变场有效方差的演化过程可划分为初始分异、稳定分异和加速分异3个阶段;当剪切裂纹起裂时,干燥状态下的试件有效方差突增,而干湿循环作用后的试件有效方差出现加速增长的态势,均可识别为前兆点。经过干湿循环作用的试件前兆应力水平和时间水平均小于干燥状态下的试件,这是因为干湿循环作用对岩样产生了软化作用。     

单轴应力下带钻孔花岗岩注入高温蒸汽破坏特征研究

大型水力压裂是干热岩地热能开发中人工储留层建造的最有效手段,其核心力学问题为高温、高压下岩石的水力破岩机制。通过单轴应力下带钻孔花岗岩注入高温蒸汽破坏试验,研究固-热耦合作用下花岗岩的水力破岩机制。结果表明:高温对花岗岩破裂有很大的促进作用,热效应导致强度弱化,降低破裂压力。高速率注入430℃和350℃蒸汽破坏试验中,破裂压力比常温水压裂至少降低58%;低速率注入400℃和450℃蒸汽破坏试验中,花岗岩破裂压力比常温水压裂降低75%。注蒸汽破坏过程可分为热破裂损伤和宏观裂缝扩展两个阶段。高温蒸汽产生的热应力在钻孔周围随机发生热破裂,随着注入蒸汽时间的增加,热破裂范围由钻孔附近逐渐向远处扩展,热破裂分布密度增大,为宏观裂缝的产生提供便利条件。初始宏观裂缝首先出现在钻孔两侧,沿着最终形成的宏观裂缝轨迹扩展,直到试样破坏。与常温水压裂相比,低速率注蒸汽破坏是一个缓慢的延性拉破坏过程,裂缝相对钻孔不对称扩展,宽度小于水力压裂裂缝宽度。     

极地深部冰层取心钻探孔壁水压致裂研究

为了维护极地深部冰层取心钻探工作中钻孔的稳定,避免孔内事故的发生,冰层孔壁的水压致裂问题是亟待解决的重要科学问题之一。本文在深入分析国内外冰层钻探资料的基础上,结合冰盖动力学相关理论,计算得出了钻孔所在区域冰层的密度、温度及内部应力随深度的变化规律。在此基础上,结合油气资源勘探水力压裂技术与冰层钻进钻井液等相关理论,建立了合理的孔壁压差计算方法,深入探讨了适用于深部冰层钻探孔壁水压致裂机理。研制了冰层钻孔水压致裂模拟实验装置,可分析研究不同围压条件下冰样的脆性变形机理。结合我国Dome A深冰心钻探工程实际,提出钻孔可能发生水压致裂的深度区域及孔壁所需的起始裂纹长度判定,以期为后续的安全高效冰层钻进提供重要的理论依据。     

倾斜煤层水力压裂起裂压力计算模型及判断准则

针对目前倾斜煤层起裂机制不明确,导致水力压裂时盲目升高压力或增大注水量来增加煤层透气性的问题,根据最大拉应力理论,分析真实环境下倾斜煤层压裂钻孔周围应力状态,建立压裂钻孔周围煤岩体起裂压力计算模型及判断准则,并在重庆松藻煤电公司同华煤矿进行了验证,结果表明,根据实测压裂区域地应力状态,起裂压力随煤层倾角增大而增大,钻孔起裂位置随煤层倾角增大逐渐向走向方向偏转;现场试验起裂压力与理论计算相符,随煤层倾角增大而增大,从而验证了计算模型的正确性。     

水压致裂起裂压力的细观离散元模拟及试验研究

水压致裂起裂压力的预测对于油气开采、地应力测量、水工结构物抗裂设计等具有重要的意义。采用颗粒离散元结合域-管道渗流模型的流固耦合非连续数值模拟方法,基于扩展前端法生成的含规则形状钻孔的颗粒体模型,对水压致裂的细观起裂过程和起裂压力大小进行了定量模拟。结果表明,在消除了颗粒体中钻孔形状不规则性的基础上,钻孔壁的接触力链分布与理论解较为一致,拟合的离散元起裂压力公式也与理论解较为接近。进一步地,从颗粒材料受挤压时产生局部张拉力的角度解释了起裂压力拟合公式与理论解之间的差别。最后,设计了含预制钻孔的抗渗砂浆试块制备方法,对不同主应力组合下的起裂压力大小进行了真三轴室内试验,验证了离散元模拟结果的可靠性。     

利用室内和现场水压致裂试验联合确定地应力与岩石抗拉强度

钻杆式水压致裂原地应力测试系统的柔性会影响最大水平主应力的计算精度。利用空心岩柱液压致裂试验获得的岩石抗拉强度来取代重张压力计算最大水平主应力是降低钻杆式测试系统柔性的负面影响的重要途径。在福建某隧道深度为65 m的钻孔内开展了8段的高质量水压致裂原地应力测试,随后利用钻孔所揭露的完整岩芯开展了17个岩样的空心岩柱液压致裂试验。利用空心岩柱液压致裂所得的抗拉强度平均值为8.40 MPa,与经典水压致裂法确定的岩体抗拉强度8.22 MPa接近。对于20 m的范围内8个测段的原地应力量值,最小水平主应力平均值为8.41 MPa,基于重张压力P_r的最大水平主应力平均值为16.70 MPa;基于空心岩柱抗拉强度的最大水平主应力量值平均值为16.88 MPa,两种方法获得的最大水平主应力平均值基本一致。最大最小水平主应力与垂直主应力之间的关系表现为σ_H > σ_V > σ_h,这种应力状态有利于区域走滑断层活动。通过对比分析可知,对于钻杆式水压致裂原地应力测试系统,当测试深度小且测试系统柔性小时,基于重张压力和基于空心岩柱抗拉强度得到的最大水平主应力量值差别不大,这说明基于空心岩柱的岩石抗拉强度完全可以用于水压致裂最大水平主应力的计算,同时基于微小系统柔性的水压致裂测试系统获得的现场岩体强度也是可靠的。      

高心墙堆石坝心墙水力劈裂的颗粒流模拟

目前针对堆石或土石坝的心墙水力劈裂问题虽然已取得了不少成果,但现有的成果大多从宏观的角度进行研究,对心墙水力劈裂发生机制的认识尚未达成一致的观点。采用颗粒流方法从细观角度对心墙水力劈裂问题进行初步研究,模拟了心墙水力劈裂发生和发展的过程。计算结果表明,劈裂水压力Pf随着竖向应力的增大而增大,且两者基本呈线性关系,与室内成果的规律基本一致;心墙在高水力梯度作用下,形成的水楔效应降低了裂缝尖端区附近的最大主应力,当该值小于或接近心墙上游的外水压力时则会导致水力劈裂的发生。此外,计算结果还证明了心墙发生水力劈裂的主要力学原因是由于心墙中的张拉应力超过了土体的抗拉强度。     

煤矿井下顶板梳状长钻孔分段压裂强化瓦斯抽采实践

为了解决碎软煤层本煤层钻孔施工困难,瓦斯抽采浓度低,抽采效果差,无法实现大面积区域预抽的问题,在现有煤矿井下定向钻进技术和水力压裂技术的基础上,结合前期研究成果,提出了顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术,并在韩城矿区桑树坪二号井进行了现场试验。现场施工顶板梳状长钻孔主孔长度588 m,包含8个分支孔,钻孔总进尺1 188 m,主孔距煤层0~3.28 m,平面上覆盖约12.5 m。采用不动管柱分段水力压裂工艺,分4段进行水力压裂施工,累计注水2 012 m3,最大泵注压力8.74 MPa。压裂后最大影响半径大于30 m,且裂缝主要位于钻孔下方,向煤层延伸。压裂钻孔稳定抽采阶段瓦斯抽采纯量1.18 m3/min,抽采瓦斯体积分数平均43.54%。顶板梳状长钻孔分段水力压裂钻孔瓦斯抽采纯量是水力割缝钻孔的1.2倍,是本煤层顺层钻孔的4.0倍。试验结果表明,顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术可有效避免本煤层常规钻孔施工过程中存在的塌孔、卡钻、喷孔等问题,实现了碎软低渗煤层大面积区域瓦斯预抽,为碎软低渗煤层区域瓦斯预抽提供了新思路和新方法。      

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。     

煤矿井下高压端连续水力加砂压裂增透技术与装备研究

针对煤矿井下作业空间小,供电供水能力有限,地面加砂压裂装备无法直接应用于煤矿井下的现状,提出了高压端加砂压裂的技术思路。基于液动冲击混携砂原理,研发了高压端连续水力加砂压裂装备。该装备不需要外部动力源进行混砂,而是通过压裂液流态和流场的变化形成旋流冲击实现混砂和携砂。理论分析、数值模拟和室内仿真试验均表明,该装备在原理上是可行性的,能够有效混砂和携砂。研发的装备整体耐压达到55 MPa,一次可装石英砂750 kg,可实现单个或者多个穿层钻孔的连续加砂压裂。配套设计了三通道并联的煤矿井下高压端连续水力加砂压裂控制系统,该系统通过矿用压风实现开关的开合,与压裂泵的控制系统协同对加砂过程实现远程集中控制,确保加砂过程安全可靠。运用该装备在安徽淮南矿区潘三煤矿进行了5个底板穿层钻孔的现场试验。结果表明:该装备携砂能力较强,仅需开启通道二即可实现有效加砂,最大连续加砂量150 kg,最大注水量316 m3,加砂压裂钻孔瓦斯抽采纯量、百孔瓦斯抽采量分别是清水压裂钻孔的2.38和2.03倍,增透效果明显。研发的装备可应用于煤矿井下高压水射流、水力切割以及水力加砂压裂等领域。      

The verification of displacement methane effect caused by hydraulic fracturing in gassy coal seams

During hydraulic fracturing in gassy coal seams, the gas concentration in mining path ways is found to increase significantly. This phenomenon should be the displacement methane effect caused by hydraulic fracturing. Does this effect exist objectively? To this end, laboratory and field verification experiments were carried out. An experimental system integrated with true triaxial hydraulic fracturing, seepage, and displacement gas was developed. The largest sample size was 500?×?500?×?500 mm³. Proper sealing was assured in the experimental system, and the effects of coal bed methane were simulated effectively. Methane at a specific pressure was injected into a sealed coal sample. After pressure stabilization and the methane adsorption reached its equilibrium level, the high-pressure water was injected into the coal sample from the surface. Absorbed methane in the coal sample was displaced from the bottom of the coal by water pressure seepage. After the conduction of deep borehole hydraulic fracturing in a high gassy coal seam, the gas was displaced inward and outward from the main fracture section. The permeability, diffusion, and transfer of the gas resulted in a region of increased methane content in both sides of the main fracture section. And the methane content in the main fracture section was decreased. Along the length of the borehole, the methane content changed significantly. The existence of displaced methane caused by hydraulic fracturing in gassy coal seams was first verified by laboratory experiments and then field tests. The pore-pressure gradient provides power for driving methane by hydraulic fracturing. The amount of desorbed methane resulted from the competitive adsorption of water and methane is more than that of the absorbed methane resulted from increased methane pressure, which provides material guarantee for displacing methane by hydraulic fracturing. The displacement methane caused by hydraulic fracturing in gassy coal seams was also found to be time dependent.     

煤层水压致裂后煤岩应力解析

水压致裂后煤岩应力分布规律对水压致裂防冲效果起关键性作用。采用理论研究方法得出高压注水压致裂后及卸水后水区和气区的孔隙、瓦斯压力和煤体应力解析解。结果表明,致裂后水区孔隙压力沿径向变化不大,与注水压力接近;气区瓦斯压力沿径向呈递减趋势;在水区外围一定范围内形成瓦斯压力升高区;水区煤体环向应力将会减小,直到变为拉应力;气区煤体径向应力沿径向递减。卸水后水区孔隙压力、煤体径向应力沿径向呈递增趋势;气区煤体径向应力沿径向呈递增趋势,趋近于原始煤体应力;气区煤体环向应力沿径向呈递减趋势;气区孔隙压力沿径向呈递减趋势。这为煤层水压致裂预防冲击地压提供理论基础。      

煤矿井下长钻孔分段水力压裂技术研究进展及发展趋势

“十三五”以来,围绕“我国煤矿井下煤层区域增透瓦斯高效抽采和坚硬顶板岩层弱化区域治理”两大难题,将定向长钻孔与分段压裂技术结合,通过技术攻关与装备研发及工程试验,在煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂技术和装备研发及工程示范应用等方面均取得了明显进展。主要表现在如下4个方面:(1)开发了适合于煤矿井下煤岩层裸眼定向长钻孔不动管柱和动管柱两种分段水力压裂工艺技术与工具,不动管柱分段压裂工程应用钻孔长度突破了500 m,单孔压裂实现了5段;动管柱分段压裂钻孔长度工程应用突破了800 m,单孔压裂实现了17段。(2)研发了煤矿井下低压端加砂压裂泵组和高压端加砂压裂装置,低压端加砂泵组压力达到了70 MPa,排量达到90 m3/h,携砂比达到20%;高压端加砂压裂装备耐压能力达到55 MPa,一次连续加砂压裂的砂量达到750 kg;低压端和高压端加砂装备均在现场进行了工程应用,应用结果表明装备均具有较好携砂压裂能力。(3)建立了碎软煤层围岩分段压裂和硬煤顺层钻孔分段压裂区域增透瓦斯高效抽采技术模式,前者在山西阳泉矿区和陕西韩城矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量均值分别达到了2 811 m3/d和1 559 m3/d,后者在陕西彬长矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量达到了2 491 m3/d。(4)探索出了坚硬顶板强矿压煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂主动超前区域弱化治理的新模式,工程应用钻孔长度突破了800 m,坚硬顶板分段水力压裂治理后,顶板来压步距、动载系数和最高压力值较未压裂区分别下降了18.9%~70.6%,5.8%~7.9%,13.7%~19.4%,有效治理了工作面坚硬顶板引起的强矿压灾害。随着煤矿井下分段水力压裂技术改进和煤矿智能开采发展的实际需要,提出了煤矿井下大排量高压力智能压裂泵组、井下长钻孔裸眼分段压裂智能工具等装备和煤矿井?地联合分段水力压裂技术研发方向,以更好地推动煤矿井下水力压裂技术与装备发展,为煤矿安全高效绿色智能开采提供技术和装备支撑。