【摘要】：我國(guó)是受沖擊礦壓災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國(guó)家,現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)與研究表明,堅(jiān)硬厚層頂板依然是我國(guó)煤礦災(zāi)害的主要誘發(fā)因素,厚層堅(jiān)硬頂板的可控致裂是目前研究的熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題,對(duì)于我國(guó)沖擊礦壓礦井的安全生產(chǎn)具有重要意義。定向水力壓裂的原理是通過(guò)特殊的“刀具”在巖體中預(yù)先切割出定向裂縫,然后注入高壓水,使裂紋沿定向預(yù)裂縫繼續(xù)擴(kuò)展。定向水力壓裂可以對(duì)頂板進(jìn)行定向分層及分塊致裂,控制性的破壞堅(jiān)硬頂板完整性,釋放頂板彈性能,達(dá)到減弱或消除沖擊危險(xiǎn)性的目的。本文基于定向割縫水力壓裂裂紋擴(kuò)展機(jī)理,運(yùn)用離散元數(shù)值模擬軟件PFC(Particle Flow Code)對(duì)定向水力壓裂的裂紋擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行模擬與分析�？紤]不同地應(yīng)力狀態(tài)、注水壓力、預(yù)裂縫角度、巖體結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵因素,分析裂紋擴(kuò)展的方式、方向、路徑以及長(zhǎng)度等規(guī)律研究的主要結(jié)論如下:(1)根據(jù)“裂紋是否分叉”與“裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度”兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)定向預(yù)裂縫幾何形態(tài)的優(yōu)劣,結(jié)果表明:幾何形態(tài)為菱形的預(yù)裂縫其壓裂效果比矩形縫以及橢圓形縫要好;高徑比為1:4的菱形縫比1:3、1:5、1:6的壓裂效果好。最終確定高徑比為1:4的菱形縫作為模擬的最優(yōu)定向預(yù)裂縫。(2)定向水力壓裂的起裂壓力大于巖體的抗拉強(qiáng)度與最小主應(yīng)力之和,小于巖體的抗拉強(qiáng)度與垂直于預(yù)裂縫導(dǎo)向方向的地應(yīng)力之和。水壓力不變的情況下,裂紋由中心向兩側(cè)呈對(duì)稱(chēng)性擴(kuò)展,擴(kuò)展速率由快變慢。裂紋起裂時(shí),其裂紋性質(zhì)均為張拉裂隙;壓裂過(guò)程中在平行于裂紋擴(kuò)展方向上的接觸力基本沒(méi)有積聚現(xiàn)象,在垂直于裂紋擴(kuò)展方向上的接觸力積聚現(xiàn)象顯著且力的方向指向外側(cè),即細(xì)觀顆粒之間的相互作用力表現(xiàn)出了向垂直于裂紋擴(kuò)展方向兩側(cè)擴(kuò)展的趨勢(shì),與張拉裂紋的細(xì)觀表現(xiàn)相吻合;壓裂過(guò)程中模型由內(nèi)到外大致可以分為壓裂區(qū)、擾動(dòng)區(qū)和未擾動(dòng)區(qū)三種區(qū)域,在壓裂區(qū)與擾動(dòng)區(qū)內(nèi)顆粒的速度與位移均垂直于裂紋的擴(kuò)展方向指向外側(cè),距離中心越遠(yuǎn),其值越小。(3)定向縫無(wú)論是在平行于最大主應(yīng)力還是垂直于最大主應(yīng)力時(shí),裂紋的直徑隨水壓力的增大而增長(zhǎng),巖體顆粒間粘結(jié)破壞數(shù)量也隨水壓力的增大而增多;裂紋的擴(kuò)展直徑隨圍壓比的增大而減小,巖體顆粒間粘結(jié)的破壞數(shù)量隨圍壓比的增大而減小;定向預(yù)裂縫在垂直于最大主應(yīng)力時(shí)的裂紋擴(kuò)展直徑略小于平行于最大主應(yīng)力時(shí)的擴(kuò)展直徑。定向預(yù)裂縫斜交于最大主應(yīng)力時(shí),裂紋沿定向預(yù)裂縫的導(dǎo)向方向擴(kuò)展,隨交角的增大,裂紋長(zhǎng)度減小。即在不同的應(yīng)力場(chǎng)下定向預(yù)裂縫對(duì)水力壓裂裂紋的擴(kuò)展均具有有效的導(dǎo)向作用。(4)軟弱巖層對(duì)裂紋的擴(kuò)展方向沒(méi)有明顯的影響,對(duì)裂紋擴(kuò)展速度影響顯著,裂紋在軟弱巖體中的擴(kuò)展速率要高于其在堅(jiān)硬巖體中的擴(kuò)展速率,裂紋在軟弱巖體強(qiáng)度很低的情況下容易出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。軟弱薄夾層的粘結(jié)強(qiáng)度和傾角都對(duì)裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生影響,粘結(jié)強(qiáng)度越大,對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響越小,裂紋擴(kuò)展越對(duì)稱(chēng)、越平直;傾角越大,對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響越小,裂紋越容易穿過(guò)薄夾層,裂紋擴(kuò)展越對(duì)稱(chēng)、越平直。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TD327.2
【圖文】：

al圖 1-2 預(yù)裂縫切割工具Figure 1-2 Pre-crack cuttingtool性和裂縫擴(kuò)展的復(fù)雜性，增加了定向水力人為地控制裂縫在地層中的擴(kuò)展方式，這階段，但可以通過(guò)控制預(yù)制裂縫長(zhǎng)度、寬擴(kuò)展規(guī)律。本文主要運(yùn)用數(shù)值模擬軟件素及其規(guī)律，主要包括：紋擴(kuò)展的影響規(guī)律裂的必要條件，巖石起裂擴(kuò)展的條件是初界應(yīng)力，而拉應(yīng)力的大小受初始裂縫的幾程度同初始裂縫的幾何形態(tài)具有一定的割縫對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律，為確定最與應(yīng)力演化規(guī)律

圖 2-2 PFC2D 模型示意圖Figure 2-2 Schematic diagram of the PFC2D model顆粒流的接觸模型粒流程序中的任何一個(gè)顆粒都被簡(jiǎn)化為理想的剛體，顆粒的自身，不過(guò)在相鄰的顆粒之間是可以存在接觸的。材料中介質(zhì)間的本擬的關(guān)鍵所在，這種關(guān)系在 PFC 中表現(xiàn)為顆粒之間的接觸行為鄰的顆粒之間的接觸關(guān)系可以通過(guò)接觸模型來(lái)進(jìn)行調(diào)控。在 PF出了 10 類(lèi)內(nèi)置的接觸模型，其中使用最為廣泛的有三種，即線earModel）、接觸黏結(jié)模型（LinearContactBondModel）和平行r Parallel Bond）。1）線性接觸模型性接觸模型是由 Cundall 和 Strack[69]在離散元的理論基礎(chǔ)上首先型主要用于表征散體材料之間的相互作用與力學(xué)行為的。模型（以概化為由線性元件與阻尼元件兩種物理力學(xué)元件組合而成的元件是一個(gè)包含有法向剛度（ ）及切向剛度（ ）的彈簧，并

圖 2-6 PFC2D 中“管域模型”示意圖Figure 2-6 schematic diagram of "pipe & domain model" in PFC2D當(dāng)巖土體的孔隙率很小時(shí)，在相鄰顆粒接觸位置都分布有流體的流動(dòng)管型中所有的流體管道共同構(gòu)成了流體網(wǎng)絡(luò)。不同巖土體中“管道”的初始孔不相同，主要是受材料的滲透系數(shù)所影響。如果顆粒之間沒(méi)有粘結(jié)，那么“”的孔徑是與顆粒的正向位移成正比的關(guān)系，如果顆粒之間有粘結(jié)并且粘結(jié)產(chǎn)生破壞，那么“管道”的孔徑不發(fā)生變化；當(dāng)顆粒間的粘結(jié)破壞以后，孔大小便遵循前文中所提到的與正向位移之間的關(guān)系。在 PFC 中，正是由于“管域模型”的存在，能夠保證隨著計(jì)算的進(jìn)行使流體壓力轉(zhuǎn)化為等效的體作用在周?chē)w粒之上，從而保證了滲流現(xiàn)象的實(shí)現(xiàn)。如果巖土體的孔隙率較高，在PFC模型中顆粒之間便會(huì)存在一定量的間隙以直接的將這些間隙視為真正存在的流體通道，同樣可以運(yùn)用上述的“管域”。不過(guò)在這種情況下便很難確定每個(gè)“管道”的滲透系數(shù)，可以事先假設(shè)滲透系數(shù)，然后再對(duì)這種具有大量的“管道”構(gòu)成的模型進(jìn)行專(zhuān)門(mén)針對(duì)滲透小的模擬試驗(yàn)，不斷的在程序里調(diào)整模型中“管道”的滲透系數(shù)，直到模型

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