本煤层水力压裂致裂机理及裂隙发展过程研究

当今，我国经济正处于持续快速发展时期，对能源的需求也大幅度增长，作为主要能源的煤炭，预计量到2020年达到目前的两倍。瓦斯是煤炭的伴生资源，同时又属于不可再生的洁净能源，因此，提高瓦斯抽集效果，增加瓦斯能源利用比率，是改善煤矿安全生产状况和开发绿色能源的重要课题。 本文针对煤层瓦斯抽集开采中的水力压裂技术开展了理论研究工作，依据地下煤体形成机理和工程特点，提出煤层是一种具有多分层结构的地质体，且组成煤层的煤分层具有多微裂隙、多孔隙结构，在此基础上阐述了煤层和煤分层的力学特点及其渗透率规律。进而论文分析阐述了煤分层中钻孔、分层层面钻孔、以及穿层钻孔水力压裂的起裂机理。 1）位于煤分层中的沿层钻孔起裂压力和起裂方向取决于原岩应力大小和侧向应力系数； 2）位于煤分层层面处的钻孔，其起裂位置和压力除受原岩应力大小及状态的影响外，还与分层层面强度及相邻煤分层的强度有关； 3）穿层钻孔起裂位置、方向及起裂压力主要受最弱煤分层及分层层面强度的影响。 在分析了水力压裂钻孔起裂机理的基础上，进一步分析了原一级裂隙弱面扩展延伸和次级弱面发生起裂的力学条件，并通过MATLAB语言编制了钻孔起裂、弱面扩展延伸和次级弱面起裂的数值计算程序，数值分析结果验证了理论分析的正确性。最后，论文在概括分析水力压裂控制机理和控制方法的基础上，提出了本煤层瓦斯抽集中水力压裂综合设计的思想。