陕蒙地区厚硬砂岩顶板定向水力压裂预割缝倾角优化及防冲实践

赵善坤^1,2,3，李英杰³，柴海涛^1,2，姚茂宏³，张广辉^1,2，苏振国^1,2，李少刚^1,2

1. 煤炭科学技术研究院有限公司安全分院2. 煤炭科学研究总院煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室3. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院

摘 要：预割缝倾角是深孔顶板定向水压致裂重要施工技术参数之一。通过半圆盘试件3点弯（SCB）断裂力学试验以及水压致裂力学模型解析分析,研究预割缝倾角影响坚硬顶板在定向切槽诱导下水压致裂过程中的断裂特性。结果表明:水压裂纹的起裂方向明显受到预设裂纹倾角影响,但最大主应力对裂纹扩展方向起到控制作用。在地应力一定条件下,随着预割缝倾角增加,临界注水压力减小,Ⅰ型应力强度因子K_Ⅰ逐渐增加,Ⅱ型应力强度因子K_Ⅱ先增加后减小。为保证水压裂纹既受到较大的张拉作用,又能利用地应力的作用发生剪切扩展,K_Ⅱ达到最大值时的预割缝倾角被选为施工水力压裂参数取值。该参数设计被应用到巴彦高勒煤矿厚层砂岩顶板水压致裂工况,对比压裂过程中顶板的煤炮强度和频次以及压裂前后辅回撤通道附近的微震、应力变化,证明了设计参数下水压致裂裂隙范围有效的起到了防冲效果。

关键词：定向水压致裂;Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹;水压致裂力学模型;冲击地压;