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  • ISSN:0253-9993
  • CN: 11-2190/TD

《煤炭学报》

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高压流体注入对煤岩变形和破裂特性影响的实验研究

作者(Author):

  • 刘超
  • 靖洪文
  • 蔚立元
  • 张东明
  • 刘义鑫

作者单位:

  • 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室
  • 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室
  • 山东科技大学 安全与环境工程学院

关键词:

  • 高压流体
  • 裂纹扩展
  • 中间主应力
  • 摘要
  • 论文图表
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  • 引用格式

煤岩储层中孔隙压力、地应力和煤岩自身结构之间的耦合效应对煤体内裂纹的萌生、扩展以及破裂特性起着显著作用。本文以原煤为研究对象,进行了真三轴应力条件下高压流体致裂煤岩实验,以探究不同水平应力差(或中间主应力)和不同黏度流体耦合作用下煤体内裂隙的扩展规律和破裂模式。流体压力峰值随着中间主应力地增加而减小,且增压注水产生的流体压力峰值相比液态CO2和N2的大。随着中间主应力地减小,煤体破碎程度加剧。低中间主应力水平下,煤体内主要形成沿层理面以及层理面附近扩展的拉伸裂隙。高中间主应力水平下,煤体内主裂隙呈斜穿层理结构的剪切破坏特性,形成了较大的煤块。孔隙压力增加过程中,裂隙扩展过程包括:1)煤颗粒翻转,2)高压流体作用下产生的拉伸裂隙所引起的层理面平移,3)偏应力作用下产生的剪切裂纹穿越层理面而形成宏观剪切滑移面,4)剪切裂纹在拉伸裂纹处中止扩展。因有效应力各向异性特性,煤体内孔隙压力增大使得最大偏应力也在相应增大,最终导致煤体失稳破裂。基于此,提出修正裂纹滑动模型,获得了流体注入过程中裂纹密度参数演化规律。裂纹密度参数随着流体压力地增加而增大,随着水平应力差地增加而减小,这与原煤的应变变化相一致。由于水的黏度较大,裂纹密度参数在增压注水时相比注液态CO2和N2情况下较小,表明低黏度流体可以激活更多的孔隙裂隙。


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