脉动荷载作用下煤体裂隙动态演化特征及控制机制研究

Permeability improvement of deep and low permeability coal seam is the key to coal and gas outburst prevention and efficient gas extraction. The field tests show that the pulse hydraulic fracturing technology has a positive effect to promote coal seam fracture evolution and to improve the gas drainage effect. However, the basic theory research obviously lags behind in engineering practice. Firstly, the theory of fracture initiation and propagation under pulse loading is analyzed in this project, and the quantitative model and theoretical criterion of pulse loading parameter and crack evolution is established. Secondly, the fracture evolution process of pulse hydraulic fracturing is investigate, and the dynamic Characteristics of fracture evolution under pulse loading is researched, the key parameters and the control factors are analyzed, and the law of dynamic fracture evolution is discussed. Thirdly, explore the two quantitative relations, one is between loading frequency and fracture shape, and the other is between loading pressure and fracture range, and construct the mechanism of frequency-shape and pressure-range. Finally, based on the research above, we will propose a control method of fracture evolution for pulse hydraulic fracturing. The research is to lay a theoretical foundation for the application of pulse hydraulic fracturing technology in deep coal seam pressure relief and gas disaster prevention and control.

煤层增透是深部煤层瓦斯动力灾害防治和瓦斯高效抽采的关键。工程试验表明，脉动水力压裂技术在促进煤层裂隙演化、提高瓦斯抽采效果等方面具有积极效果，但基础理论研究明显滞后于工程实践。本项目首先理论分析脉动荷载作用下裂隙起裂、扩展规律，建立脉动荷载参量与裂隙演化的量化模型及演化理论判据；其次，利用数值模拟和物理实验多途径考察脉动水力压裂裂隙演化过程，研究脉动荷载作用下裂隙演化的动态特征，分析裂隙动态演化的关键参数及其主控因素，探索脉动荷载作用下裂隙动态演化规律；再次，分析裂隙演化与脉动荷载参量的相关性，探寻荷载频率与裂隙形态、荷载强度与裂隙范围的量化关系，构建“荷载频率控制裂隙形态、荷载强度控制裂隙范围”的裂隙演化控制机制；最后，基于以上基础研究，提出脉动水力压裂裂隙演化控制方法。研究成果旨在为脉动水力压裂技术在深部煤层卸压增透及瓦斯动力灾害防治方面的应用奠定理论基础。

煤层增透是消除瓦斯灾害事故和煤层气资源高效利用的关键。脉动水力压裂是一种以常规水力压裂的卸压增透作用为基础，结合煤岩体疲劳破坏特性而衍生出的一种水力增透技术，具有降低煤层起裂压力，增加煤体裂隙网络，提高瓦斯抽采效果。脉动载荷作用下裂隙的演化规律是脉动水力压裂技术的核心，其中脉动频率、脉动波形、脉动压力等参量是脉动水力压裂研究的热点。. 项目研发并搭建了具有脉动压力发生装置的脉动水力压裂实验室平台，开展了脉动水力压裂物理相似实验，考察了在不同频率、不同排量作用下的裂隙演化规律，探索层理结构对裂隙演化的影响；建立了颗粒流脉动水力压裂数值模型，考察了静压载荷加载和脉动载荷加载下模型破坏特征；理论分析了脉动水力压裂裂隙演化规律。.研究认为，压裂过程中压力的增加阶段，静压压裂和脉动压裂的曲线特征不同，静压压裂的压力上升趋势呈“外凸”特征，而脉动压裂压力曲线则是在后期增速高于前期，压力上升趋势呈“内凹”特征，两种加载方式的煤岩破裂过程不同，脉动压裂可以持续产生局部较大的应力波压力，在压裂段煤岩薄弱处造成微破坏；同等频率时，脉动排量在裂隙数量上有所不同；排量较低的试件发生微破裂的数量更多、尺度更均匀，试件更容易发生同步起裂，产生发育程度相近的裂缝；不同厚度、不同硬度煤层间裂隙起裂的“竞争”关系，为脉动压裂裂隙控制机制提供基础。. 对于脉动水力压裂裂隙演化的机理进行分析认为，脉动频率是通过改变单位时间内的压力波对煤岩的冲击次数进行作用的，脉动排量则是通过对脉动波幅值的改变来进行作用。这为脉动压裂裂隙演化的控制机制提供指导。. 项目研究的科学意义或者应用前景体现在，当煤岩等所处环境较为复杂，对煤岩所施加应力不能直接破坏煤岩时，通过脉动载荷的施加能够实现裂隙的扩展；脉动压力曲线的“内凹”特征，解释了脉动载荷作用下裂隙在数量、规模、范围上的变化，为脉动载荷的应用提供指导。