多孔套筒定向压裂力学机制及影响因素分析
胡善超1
韩金明1
程亚飞1
亓佳利2
黄俊鸿1
高志豪1
郭世豪1
杨磊1
1.山东科技大学能源与矿业工程学院,山东青岛 2665902.山东能源鲁西矿业集团有限公司,山东菏泽 274700
摘要：坚硬顶板破断释放巨大冲击动能是诱发煤矿动力灾害的重要因素之一,在特定位置断顶实现岩层的定向断裂、减小坚硬顶板悬顶长度是防治煤岩动力灾害的关键.多孔套筒压裂技术具有操作简单、适用条件广泛等优点,在坚硬顶板弱化领域有着广泛的研究前景.为深入了解多孔套筒压裂机理,采用理论分析与数值模拟方法开展了多孔套筒压裂力学机制研究,揭示了不同影响因素下孔间应力变化规律,获得了压裂过程裂缝扩展规律及力链分布特征.通过钻孔切槽可提升套筒压裂预裂效果,为确定合理的布孔参数,基于线弹性断裂力学建立了含预制缝多孔套筒压裂力学模型,给出了缝端应力强度因子、临界膨胀力及裂缝临界起裂角计算方程,获得了不同影响因素下缝端应力强度因子、临界膨胀力及临界起裂角的变化规律.研究结果表明:①侧压系数k对钻孔最小起裂应力影响显著,当侧压系数k＞1时,最小起裂应力随布孔角度的增大而减小;当侧压系数k＜1时,最小起裂应力随布孔角度的增大而增大.②数值模拟结果表明:套筒间存在应力叠加效应,接触力链呈"放射状"分布.套筒压裂过程以张拉破坏为主,孔心连线处变形破坏最剧烈,均沿布孔方向形成了"条带状"断裂面.③缝槽改变了缝端附近的应力分布,相较无缝槽模型环向拉应力更大.当缝槽长度为0.5倍孔半径时,临界膨胀力最小,裂缝最易发生扩展.④临界起裂角由KⅠ与KⅡ共同决定,且小于70.53°.在泵压与地应力条件无法改变的情况下,可通过调节布孔角度与预制缝槽长度实现岩石的定向压裂.
关键词：套筒定向压裂孔间应力分布应力强度因子临界膨胀力起裂角度
分类号：TD32(矿山压力与支护)
资助基金：国家自然科学基金(52274087)国家自然科学基金(51904166)山东省自然科学基金资助项目(ZR2023ME189)
论文发表日期：2024-08-28
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：15( 3366-3380 )
英文信息