堅(jiān)硬頂板砂巖水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律分析

焦 戰(zhàn),陳 燦,肖洪天*

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，青島 266590；2.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266590)

水力壓裂是指在高壓流體的驅(qū)動下，巖層微裂紋萌生、擴(kuò)展甚至貫通，直至產(chǎn)生宏觀裂紋并破裂的過程[1-2]。水力壓裂技術(shù)目前已在非常規(guī)油氣資源開采、CO2封存及核廢料處理等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，在煤炭開采方面也顯示出廣泛的工業(yè)應(yīng)用價值，如局部集中應(yīng)力的解除、沖擊地壓防治及堅(jiān)硬頂板的控制等[3]。

在堅(jiān)硬頂板的控制方面，水力壓裂技術(shù)通過機(jī)械對堅(jiān)硬頂板處理，并注入高壓水，使得巖層沿層面產(chǎn)生多條裂縫，破壞巖層的整體性，從而實(shí)現(xiàn)煤層頂板及時垮落的目的[4-5]。煤礦堅(jiān)硬頂板水力壓裂技術(shù)最早由波蘭煤炭科學(xué)院研究[5]，近年來，國內(nèi)的相關(guān)研究也在逐步開展，如馮彥軍等[6-7]通過井下堅(jiān)硬頂板水力壓裂試驗(yàn)，分析了堅(jiān)硬頂板水力壓裂的特點(diǎn)；趙善坤等[8]借助斷裂特性試驗(yàn)和解析分析研究厚硬頂板在不同預(yù)割縫傾角的斷裂特性；Zhang等[9]通過數(shù)值模擬研究了地層裂縫破裂的影響因素；Liu等[10]采用三維透明模型實(shí)現(xiàn)水力壓裂的可視化表征。上述研究對于幫助人們認(rèn)識水力壓裂裂縫的形成機(jī)理和擴(kuò)展規(guī)律具有重大意義，然而，裂縫的擴(kuò)展受到巖層地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖層的非均勻性和施工條件等因素的影響，由于缺乏準(zhǔn)確的研究手段，人們對堅(jiān)硬頂板的裂紋擴(kuò)展規(guī)律和影響因素一直缺乏準(zhǔn)確的認(rèn)識，導(dǎo)致煤層頂板水力壓裂的設(shè)計(jì)與施工存在較大的盲目性。……