定向水力致裂對煤層頂板三向應力的影響研究

高 厚，陳衛忠，邢天海，鄭有雷，賈曉東，程文武

(1.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071；2.中國科學院大學，北京 100049；3.山東大學 巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061；4.兗州煤業股份有限公司 濟三煤礦，山東 濟寧 272000)

水力致裂技術最早應用在石油工程領域，以提高貧油井的產量，目前被廣泛應用于現代石油工業、地熱資源開發、核廢料儲存等領域，顯示出廣泛的工業應用價值[1]。水力致裂技術的實質是在一段封閉的鉆孔內注入高壓水，使孔壁附近產生大量裂紋，使巖體中原有裂紋張開和擴展[2]。根據彈塑性理論，水力致裂裂縫能否形成以及裂縫擴展方向取決于鉆孔周圍應力場和巖體強度。為了降低裂縫形成難度以及控制裂縫擴展方向，產生了定向水力致裂技術，其可以提前在巖體中形成定向裂縫。在煤炭開采領域，定向水力致裂技術已成為處理煤層堅硬頂板和防治沖擊地壓的手段之一[3-9]。隨著煤炭資源開采深度和開采強度的增加，礦井沖擊地壓災害日益加劇，嚴重威脅著井下人員及設備的安全[10，11]，而定向水力致裂技術可以改變煤巖體的應力狀態，從而預防沖擊地壓的發生。

水力致裂技術破壞了鉆孔周邊巖體的整體性，改變了圍巖的力學性質，導致了圍巖應力重分布。付軍輝等[12]采用數值模擬軟件，研究了煤層水力致裂對采場礦壓的應力擾動過程。楊帆[13]利用物理模擬實驗，研究了水力致裂過程中裂縫周邊的應力及其梯度變化規律。……