基于离散元法的类岩石材料水力压裂裂缝扩展规律
冯国瑞1
樊一江2
王朋飞2
郭军2
高瑞2
文晓泽2
张鹏飞2
朱林俊2
钱瑞鹏2
张洁2
1.太原理工大学矿业工程学院,山西太原 030024;矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室,山西太原 030024;山西省煤基资源绿色高效开发工程中心,山西太原 030024;山西浙大新材料与化工研究院,山西太原 0300242.太原理工大学矿业工程学院,山西太原 030024;矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室,山西太原 030024;山西省煤基资源绿色高效开发工程中心,山西太原 030024
摘要：水力压裂是煤矿井下卸压的重要技术手段,更好地理解裂缝扩展机理对煤层安全开采具有重要意义.为深入探究水力裂缝扩展规律,针对实验室常用的类岩石试件,利用颗粒离散元数值模拟软件MatDEM,建立了二维水力压裂数值模型,开展了不同注液压力增量的水力压裂试验.试验研究了注液压力增量对水力裂缝扩展的影响,揭示了模型起裂机理,从细观尺度分析了裂隙生成及裂缝扩展规律,并对水力裂缝扩展特性进行了讨论.结果表明:①注液压力增量对模型起裂压力与起裂时间变化趋势的影响相反.起裂压力随注液压力增量变大,其增长趋势不断变缓,并逐渐趋近于5.6 MPa.起裂时间随注液压力增量变大不断减小,其减小趋势同样逐渐减缓.②累计裂隙数目随时间呈指数型增长,将水力压裂过程分为 4个阶段(Ⅰ～Ⅳ):无裂隙阶段、裂隙缓慢增长阶段、裂隙稳定增长阶段和裂隙急速增长阶段,分别对应模型起裂前、模型起裂后裂缝形成前、主裂缝扩展以及次级裂缝扩展过程.随注液压力增量变大,第Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ阶段时长不断减小,第Ⅳ阶段时长呈波动式增长.各阶段裂隙数目关系为第Ⅳ阶段最多,第Ⅲ阶段次之、第Ⅱ阶段最少.③随注液压力增量变大,次级裂缝数目由8条增至16条,裂缝增长速度在第Ⅲ阶段以前逐渐减慢,进入第Ⅳ阶段后不断增快.注液压力增量由 0.03 MPa增大至 0.70 MPa,裂缝最终长度增大 1.79倍.④模型内部能量随注液压力增量的变大而增加,且能量输入速度逐渐变快.模型起裂后,高压水在裂缝尖端形成应力集中,促使裂缝继续扩展延伸.较高注液压力增量下,裂缝扩展速度变快,颗粒位移量由压裂孔至模型外侧逐渐减小.注液压力增量的变大会使次级裂缝形成位置向压裂孔靠近,对主裂缝的形成及扩展起抑制作用,而对次级裂缝的形成及扩展起促进作用,裂隙类型均为张拉裂隙.
关键词：水力压裂MatDEM模型起裂裂隙演化裂缝扩展细观
分类号：TD350(矿山压力与支护)
资助基金：国家自然科学基金(51925402)山西省科技重大专项资助项目(20201102004)中国科协青年人才托举工程资助项目(YESS20200211)
论文发表日期：2024-05-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：16( 2231-2246 )
英文信息