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岩石水力压裂力学特性劣化试验研究
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作者 杜涛涛 鞠文君 +3 位作者 卢志国 潘俊锋 夏永学 闫瑞兵 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第10期74-83,共10页
岩石水力压裂力学性质劣化程度准确测定是水力压裂卸压机理揭示和压裂效果评估的基础,为揭示岩石水力压裂力学特性劣化规律,分别设计了真三轴水力压裂物模试验和岩石力学测试试验2个阶段方案,利用CT扫描重构裂缝三维形态,通过真三轴水... 岩石水力压裂力学性质劣化程度准确测定是水力压裂卸压机理揭示和压裂效果评估的基础,为揭示岩石水力压裂力学特性劣化规律,分别设计了真三轴水力压裂物模试验和岩石力学测试试验2个阶段方案,利用CT扫描重构裂缝三维形态,通过真三轴水力压裂物模试验,制备含水力压裂裂缝的岩石试件;对制备的含水力压裂裂缝的岩石试件开展了岩石力学性质单轴、三轴压缩试验和巴西劈裂试验。结果表明:刻槽能够有效降低裂缝破裂压力,增大槽的宽度,有利于提高裂缝起裂概率,但槽间距太小,裂缝易合并;压裂液黏度越高,泵注压力起压越快,裂缝破裂压力越高;排量越低,液体滤失所占比例越大,裂缝破裂压力越小,排量升高后,裂缝起裂压力显著增大,起裂所需时间越短。水力压裂后,岩石内摩擦角、黏聚力、抗拉强度的折减系数分别为0.896、0.996、0.295;得到了弹性模量折减系数关系式,随围压增大,2种试样弹性模量均呈增大趋势,且增长速率逐渐减缓,而折减系数随围压增大呈降低趋势,但降低速率减缓;试样抗拉强度压裂后降幅为70.49%,降低量达压裂后试样的2.39倍,试样抗拉强度显著降低,表明压裂使试样内部产生裂隙,发生损伤,压裂前后标准差增大1.87倍,表明压裂过程使试样内部产生大量非均匀分布裂隙,微裂隙数量及分布特征存在较大差异,造成试样力学性能差异较大。 展开更多
关键词 水力压裂 压裂裂缝 力学特性 劣化规律 折减系数
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煤层顶板“人造解放层”采动响应规律相似模拟研究 被引量:2
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作者 潘俊锋 邬建宏 +4 位作者 贺海鸿 高家明 马小辉 杜涛涛 吕大钊 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第2期1-17,共17页
通过地面“L”型井压裂厚硬顶板,在煤层上方形成“人造解放层”,可以显著降低冲击地压风险性。针对工程现场因手段受限而难以揭示“人造解放层”形成后覆岩在工作面回采过程中结构与载荷的变化特征,基于OFDR分布式光纤、压力盒以及三维... 通过地面“L”型井压裂厚硬顶板,在煤层上方形成“人造解放层”,可以显著降低冲击地压风险性。针对工程现场因手段受限而难以揭示“人造解放层”形成后覆岩在工作面回采过程中结构与载荷的变化特征,基于OFDR分布式光纤、压力盒以及三维光学数字散斑监测等技术,开展厚硬顶板区域预裂形成“人造解放层”后覆岩结构与载荷采动响应规律相似模拟研究。结果表明,压裂使厚硬岩层的整体性及其强度得到有效弱化,工作面推进过程中覆岩能够及时、有序垮落,悬臂面积和悬臂长度减小,由未压裂条件下的长悬臂梁“F”形结构转变为压裂后的短悬臂梁“F”形结构;压裂后岩层破断不再满足于极限破断步距公式,而是受压裂裂缝影响控制,压裂层及附近上下关键层都将提前破断;压裂裂缝受采动应力作用再次发育,顶板局部覆岩出现裂缝超前缓慢发育现象,覆岩破断块体沿压裂裂缝切落,致使来压步距减小,压裂后来压步距降低了17%;同时,压裂后未出现因中高位关键层和基本顶同时破断,导致顶板覆岩出现大面积垮落的现象;工作面推进过程中,顶板压裂形成的“人造解放层”起到隔层作用,阻断了上层与下层的载荷硬传递,同时,压裂层内部裂隙发育,在由三向承载向两向承载转换过程中,结构不断劣化,丧失了大面积悬臂能力,从而降低了工作面超前覆岩变形和煤体应力集中度。 展开更多
关键词 厚硬顶板 区域卸压 人造解放层 采动响应 光纤监测 岩层活动
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煤层顶板“人造解放层”区域防冲合理层位研究
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作者 潘俊锋 邬建宏 +4 位作者 贺海鸿 吴学明 冯美华 吕大钊 高家明 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第9期63-77,共15页
覆岩主控致灾岩层的准确选择,是开展顶板水平井区域压裂人造解放层防治冲击地压的基础。以孟村煤矿严重冲击地压煤层工作面为背景,采用理论分析及物理相似模拟试验相结合的综合分析方法,开展了不同预裂层位条件下覆岩结构与载荷采动响... 覆岩主控致灾岩层的准确选择,是开展顶板水平井区域压裂人造解放层防治冲击地压的基础。以孟村煤矿严重冲击地压煤层工作面为背景,采用理论分析及物理相似模拟试验相结合的综合分析方法,开展了不同预裂层位条件下覆岩结构与载荷采动响应规律研究,确定了覆岩主控致灾岩层,并通过现场工程实践进行了验证。结果表明:不同预裂层位条件下,对覆岩结构和载荷的调控作用存在差异,预裂层位距离煤层越近,对煤体基础静载荷卸压调控作用效果越好,但对增量静载荷调控作用效果较弱;预裂位于垮落带下部的低位关键层,其上覆关键层仍处于大面积悬顶状态呈长臂“F”形结构,卸压程度有限;预裂位于垮落带与裂隙带中部的中位关键层,破断块体沿预裂裂缝切落,呈短臂“F”形结构,能极大解决垮落带内厚硬顶板悬顶问题;预裂位于裂隙带上部的高位关键层,其下伏的中位和低位关键层仍呈长臂“F”形悬顶结构,工作面静载荷较大;通过地面区域压裂措施对中位关键层预裂后,工作面回采期间微震日平均能量和频次分别降低了39%和15%,高能级微震事件占比降低33%。综合不同预裂层位对覆岩结构与载荷的调控效果,预裂中位关键层更有利于实现动静载叠加型冲击地压防治。 展开更多
关键词 冲击地压 厚硬顶板 地面区域压裂 人造解放层 压裂层位选择
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煤层防冲卸压钻孔动载响应规律及其极限性 被引量:6
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作者 潘俊锋 马宏源 +3 位作者 贺海鸿 闫耀东 马小辉 马文涛 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第9期137-149,共13页
冲击危险性巷道围岩遭受外界动载荷扰动,常导致冲击地压发生。为了探索煤层大直径预卸压钻孔在动载扰动条件下的防冲卸压作用,综合采用理论分析、实验室试验以及数值模拟等方法,开展煤层防冲卸压钻孔动载响应规律及其极限性研究。结果表... 冲击危险性巷道围岩遭受外界动载荷扰动,常导致冲击地压发生。为了探索煤层大直径预卸压钻孔在动载扰动条件下的防冲卸压作用,综合采用理论分析、实验室试验以及数值模拟等方法,开展煤层防冲卸压钻孔动载响应规律及其极限性研究。结果表明:大直径钻孔卸压区内的煤体形成弱结构,增大了衰减动载的能力,降低了冲击发生的可能性。低动载扰动下,孔洞裂隙扩展,声发射累计事件随着扰动周期增加呈上升趋势;较高动载扰动下,钻孔煤样损伤破裂程度加剧,声发射事件以高能量为主。随着动载能级和扰动周期增加,应力集中区、弹性高能区与钻孔之间的距离缩短,影响范围增大,围岩运动趋势增强,弹性能集聚程度增加;在低动载能级扰动下,钻孔发挥耗能卸压防冲的作用,能够维护围岩的稳定性,在高能级动载扰动驱动下,大直径钻孔防冲失效,钻孔孔壁易发生动力失稳破坏,造成围岩失稳。总体上大直径卸压钻孔存在弱化结构,能够耗能减冲,降低动载扰动程度,但在高能、高频动载扰动下,卸压钻孔围岩运动趋势增强,破裂响应程度剧烈,防冲效能存在极限性。 展开更多
关键词 冲击地压 大直径 卸压钻孔 动载响应 卸压极限性 冲击地压防治
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