水力致裂法

由圖可得關(guān)泵壓力(ps)、裂縫擴(kuò)展壓力(pr)和破裂壓力(pf),并按下式計(jì)算主應(yīng)力：最小水平應(yīng)力σh=ps最大水平應(yīng)力σH=3ps-pr-po式中：po為孔隙壓力。而鉛直應(yīng)力σv可根據(jù)上覆巖層的重量計(jì)算：σv=ρgH式中：ρ為巖石密度；g為重力加速度；H為測(cè)量深度；主應(yīng)力方位由印模器確定。此法于20世紀(jì)50年代由哈伯特(Hubbert)、威利斯(Willis)在理論上進(jìn)行論證,60年代由夏德格(Scheidergger)、凱利(Keighley)、費(fèi)爾赫斯特(Fairhurst)等加以完善,海姆森(Haimson)等分析了壓裂液滲入的影響,并作大量野外和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)工作。由于操作簡(jiǎn)便,且無須水力壓裂法知道巖石的彈性參量而得到廣泛應(yīng)用。美國已進(jìn)行很多水力壓裂法地應(yīng)力測(cè)量,德國、日本和中國等也已相繼開展此項(xiàng)工作。目前,此法已能在5000米深處進(jìn)行測(cè)量

學(xué)科：地質(zhì)力學(xué)

詞目：水力壓裂法

英文：hydrofracturing method(fracking)

低滲透性煤層瓦斯抽采、堅(jiān)硬厚及特厚煤層綜放開采和沖擊礦壓防治是目前煤礦的技術(shù)難題。在煤巖體中人工增加裂縫，弱化其強(qiáng)度、改善其滲透性，是有效解決途徑。試驗(yàn)表明，水壓控制爆破后進(jìn)行水力致裂能有效增加水壓裂縫的數(shù)目和范圍；進(jìn)而提出了煤巖體水力爆破致裂弱化/增透方法。采用大尺寸（500mm×500mm×500mm）真三軸煤巖體水力致裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等完成了項(xiàng)目?jī)?nèi)容的研究。掌握了真三軸圍壓下鉆孔水壓爆破裂縫空間形態(tài)及其影響因素、爆生裂縫對(duì)后續(xù)水力致裂的導(dǎo)向作用、水力爆破致裂的裂縫擴(kuò)展規(guī)律，為煤巖體水力爆破致裂合理技術(shù)參數(shù)的確定提供了理論依據(jù)。 揭示了真三軸圍壓下鉆孔水壓爆破裂縫空間形態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鉆孔水壓爆破不一定有氣泡脈動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生。三向圍壓下鉆孔水壓爆破后，以裸孔爆破段為中心，向外依次形成了粉碎壓縮區(qū)和爆生裂隙區(qū)，二個(gè)區(qū)的外緣在空間上均呈近似橢球體。鉆孔徑向圍壓大的方向爆生裂縫范圍也大，即鉆孔徑向橫截面的爆生裂縫范圍近似呈橢圓分布。根據(jù)裂縫產(chǎn)生原因的不同，將爆生裂縫沿鉆孔軸向劃分為三個(gè)帶：爆炸沖擊帶、軸向擴(kuò)展帶和孔口影響帶。得出了應(yīng)力場(chǎng)、孔內(nèi)初始水壓力、單個(gè)鉆孔裝藥量、節(jié)理裂隙、不同耦合介質(zhì)等5個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)水壓爆破裂縫形態(tài)的影響規(guī)律。 后續(xù)水力致裂使得爆生裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展并形成多條多向的水壓裂縫，局部水壓裂縫主要有局部水壓裂縫帶、局部分支水壓裂縫和鉆孔軸向分層裂縫三種類型。破裂壓力最小的裂縫優(yōu)先起裂并沿著初始方向定向擴(kuò)展，最終形成優(yōu)勢(shì)主破裂面。垂直于最小主應(yīng)力的主破裂面較多、其它方向的主破裂面則較少。單裂縫的起裂及擴(kuò)展準(zhǔn)則適用于多裂縫情況，由此確定了水力爆破致裂的裂縫起裂及擴(kuò)展規(guī)律。一旦某種裂縫優(yōu)先起裂及有所擴(kuò)展，且取得一定的長(zhǎng)度優(yōu)勢(shì)后，裂縫擴(kuò)展的“馬太效應(yīng)”現(xiàn)象就顯現(xiàn)出來。水壓爆破產(chǎn)生的爆生裂縫發(fā)揮著基礎(chǔ)性的導(dǎo)向作用。水力爆破致裂后試塊的完整性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)水力致裂。由于水壓爆破導(dǎo)致的“應(yīng)力籠”、新增的主破裂面以及次破裂面，使得相同地應(yīng)力環(huán)境下的水力爆破致裂的初次破裂水壓力要高于常規(guī)水力致裂，高出的幅度大約為50%~200%。

低滲透性煤層瓦斯抽采、堅(jiān)硬厚及特厚煤層綜放開采和沖擊礦壓防治是目前煤礦的技術(shù)難題。在煤巖體中人工增加裂縫，弱化其強(qiáng)度、改善其滲透性，是有效解決途徑。申請(qǐng)者初步試驗(yàn)結(jié)果表明，水壓控制爆破后進(jìn)行水力致裂能有效增加水壓裂縫的數(shù)目和范圍；進(jìn)而提出了煤巖體水力爆破致裂弱化/增透方法。本項(xiàng)目采用大尺寸（500mm×500mm×500mm）真三軸煤巖體水力致裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等研究煤巖體水壓爆破后裂縫形態(tài)及其受應(yīng)力場(chǎng)、原生節(jié)理裂隙等的影響，分析水壓爆破爆生裂隙分布形態(tài)等對(duì)后續(xù)水力致裂裂縫擴(kuò)展方向、數(shù)目的影響；研究基于水壓爆破后多裂縫的三維動(dòng)態(tài)擴(kuò)展規(guī)律及其受應(yīng)力場(chǎng)、原生節(jié)理裂隙等的影響，研究基于爆生裂縫的水壓裂縫空間轉(zhuǎn)向的力學(xué)機(jī)制，分析水壓裂縫分叉的力學(xué)條件；分析致裂（注水）工藝對(duì)多水壓裂縫擴(kuò)展的影響；分析煤巖體水力爆破致裂弱化/增透的效果，確定合理的水力爆破致裂技術(shù)參數(shù)。

《套筒致裂法測(cè)試地應(yīng)力原理、技術(shù)與應(yīng)用》圍繞“地應(yīng)力測(cè)試原理與技術(shù)”展開研究。全書共包括8章具體內(nèi)容，依次對(duì)原始地應(yīng)力的基本特征、現(xiàn)有地應(yīng)力測(cè)試方法、套筒致裂法的理論基礎(chǔ)、套筒致裂法測(cè)試地應(yīng)力的基本原理、套筒致裂法地應(yīng)力測(cè)試的方法與步驟、孫疃煤礦原巖應(yīng)力測(cè)試及結(jié)果分析、地應(yīng)力對(duì)孫疃煤礦主要巖石巷道穩(wěn)定性的影響等內(nèi)容進(jìn)行了較為詳盡的介紹。

由于某些原因，很多現(xiàn)行的地應(yīng)力測(cè)試方法難以適應(yīng)煤礦等地下工程測(cè)試的要求，其中最為主要的原因是測(cè)試過程極難控制，致使測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確程度難以保證?；谶@種情況，尋求一種操作簡(jiǎn)便、過程能夠嚴(yán)格控制、理論科學(xué)準(zhǔn)確的測(cè)試方法就顯得十分必要。套筒致裂法及相關(guān)測(cè)試原理與設(shè)備就是在這樣一種背景下誕生出來的。

套筒致裂法測(cè)試地應(yīng)力的基本原理是利用測(cè)點(diǎn)處互相垂直的三方向致裂壓力直接測(cè)出主地應(yīng)力的大小、方位，即直接給出測(cè)點(diǎn)主單元體。測(cè)試過程中壓力的變化采用智能壓力計(jì)連續(xù)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)頻率最高可達(dá)10~60個(gè)/秒，依據(jù)兩次致裂獲得的連續(xù)變化的壓力值即可直接確定套筒致裂壓力。

該測(cè)試方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于可以直接獲取主地應(yīng)力大小、方位，不需要借助測(cè)點(diǎn)巖石的彈性常數(shù)，同時(shí)還可以對(duì)上覆巖層的重量進(jìn)行準(zhǔn)確的推算。此外，本書還詳細(xì)地介紹了構(gòu)造應(yīng)力的求解方法及測(cè)點(diǎn)上下一定范圍內(nèi)各層巖層中構(gòu)造應(yīng)力及主地應(yīng)力的大小與方位的計(jì)算原理，并通過具體實(shí)例給予了示范。

本書共分8章，其中第1、2、3、4章由經(jīng)來旺、郝朋偉共同撰寫，第5、6、7、8章以及附錄A、附錄B由張浩撰寫。全書由經(jīng)來旺規(guī)劃、整理。

本書在撰寫過程中得到了淮北礦業(yè)集團(tuán)的大力支持與幫助，在此深表感謝！