基于离散元法的类岩石材料水力压裂裂缝扩展规律研究

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论文题目

基于离散元法的类岩石材料水力压裂裂缝扩展规律研究

冯国瑞^1,2,3,4，樊一江^1,2,3，王朋飞^1,2,3，郭军^1,2,3，高瑞^1,2,3，文晓泽^1,2,3，张鹏飞^1,2,3，朱林俊^1,2,3，钱瑞鹏^1,2,3，张洁^1,2,3

1. 太原理工大学矿业工程学院，山西太原，030024；

2. 矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室，山西太原，030024；

3. 山西省煤基资源绿色高效开发工程中心，山西太原，030024；

4. 山西浙大新材料与化工研究院，山西太原，030024.

研究内容

摘要：水力压裂是煤矿井下卸压的重要技术手段，更好地理解裂缝扩展机理对煤层安全开采具有重要意义。为深入探究水力裂缝扩展规律，针对实验室常用的类岩石试件，利用颗粒离散元数值模拟软件MatDEM，建立了二维水力压裂数值模型，开展了不同注液压力增量的水力压裂试验。试验研究了注液压力增量对水力裂缝扩展的影响，揭示了模型起裂机理，从细观尺度分析了裂隙生成及裂缝扩展规律，并对水力裂缝扩展特性进行了讨论。结果表明：（1）注液压力增量对模型起裂压力与起裂时间变化趋势的影响相反。起裂压力随注液压力增量变大，其增长趋势不断变缓，并逐渐趋近于5.6 MPa。起裂时间随注液压力增量变大不断减小，其减小趋势同样逐渐减缓。（2）累计裂隙数目随时间呈指数型增长，将水力压裂过程分为四个阶段（Ⅰ~Ⅳ）：无裂隙阶段、裂隙缓慢增长阶段、裂隙稳定增长阶段和裂隙急速增长阶段，分别对应模型起裂前、模型起裂后裂缝形成前、主裂缝扩展以及次级裂缝扩展过程。随注液压力增量变大，第Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ阶段时长不断减小，第Ⅳ阶段时长呈波动式增长。各阶段裂隙数目关系为第Ⅳ阶段最多，第Ⅲ阶段次之、第Ⅱ阶段最少。（3）随注液压力增量变大，次级裂缝数目由8 条增至16 条，裂缝增长速度在第Ⅲ阶段以前逐渐减慢，进入第Ⅳ阶段后不断增快。注液压力增量由0.03MPa 增大至0.7MPa，裂缝最终长度增大1.79 倍。（4）模型内部能量随注液压力增量的变大而增加，且能量输入速度逐渐变快。模型起裂后，高压水在裂缝尖端形成应力集中，促使裂缝继续扩展延伸。较高注液压力增量下，裂缝扩展速度变快，颗粒位移量由压裂孔至模型外侧逐渐减小。注液压力增量的变大会使次级裂缝形成位置向压裂孔靠近，对主裂缝的形成及扩展起抑制作用，而对次级裂缝的形成及扩展起促进作用，裂隙类型均为张拉裂隙。