岩石水压致裂数值模拟研究综述.doc

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1、岩石水压致裂数值模拟研究综述摘要：综述了我国岩石水压致裂技术主要现状及进展，讨论了我国岩石水压致裂的特点、应用情况、改进情况及应用前景，针对煤矿进入深部开采以后，随着开采深度的不断增加，对未来煤矿深部开采中水压致裂技术在我国大中型煤矿中广泛应用和水压致裂在数值模拟方面的研究进行总结。关键词：深部开采；水压致裂；数值模拟；RFPA0前言近些年来，国内水压致裂理论及其技术已经取得了重大进展，随着计算机模拟技术的发展，水压致裂技术已经开始在我国大中型煤矿中广泛应用，并取得了良好的效果。岩石水压致裂过程是水压驱动下微裂纹萌生、扩展、贯通，直到最后宏观裂纹产生导致失稳破裂的过

2、程。研究其破坏过程有利于认识其损伤破裂与渗流相互作用的发生机理，是许多工程学科面临的热点课题。由于煤层赋存条件的差异性，以及工作面条件的复杂性，水压致裂的效果与工艺参数的设定大都依赖实践经验或人工计算。但计算机模拟技术的发展将推进水压致裂技术的更快发展。本文就近几年来我国岩石水压致了数值模拟方面的研究进行了阐述。1岩石水压致裂数值模拟研究由东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发的岩石破裂全过程分析系统RFPA2D将细观力学方法与数值计算方法有机地结合起来。通过考虑非均匀性特点研究岩石的非线性力学行为，是一种运用连续介质力学方法解决非连续介质力学问题的新型数值分析方法，为

3、岩石的非线性力学响应和破坏过程的分析与模拟提供了非常有用和方便的工具。岩石破裂过程分析系统RFPA2D可以从本质上研究岩石变形的非线性特征，有效准确的模拟岩石水压致裂过程。通过对水压致裂过程中裂纹的萌生、扩展、渗透率演化规律及渗流-应力耦合机制的模拟分析，初步揭示了岩石水压致裂过程的失稳力学行为。1．1非均匀性岩石水压致裂数值模拟的研究1．1．1不同均质度对岩石水压致裂过程的影响应用岩石破裂失稳的渗流应力耦合分析系统RFPA，模拟分析岩石在水力压力作用下破裂失稳过程，对比分析了不同均质度对岩石水压致裂过程的影响。岩石的非均匀性对水压致裂的开始压力、失稳压力以及裂纹的

4、扩展路径有很大的影响，对于不均质试样，水压破裂的开始出现要比失稳压力到达早得多。而对于均质试样，破裂初始压力和崩溃压力是不能区分的；同时，岩石的非均匀性也影响着破裂路径的粗糙度和不规则展布。1．1．2非均匀性对岩石水压致裂过程的影响[3]使用岩石破裂失稳的渗流应力耦合系统RFPA，很清楚地模拟出水压破裂过程，对于可渗透和不均质的岩石，模拟结果为岩石不均质性导致产生不规则的水压破裂路径。岩石的不均质性对破裂的开始压力和失稳力有很大影响，对于不均质试样，水压致裂过程中，出现开始破裂的压力要比失稳压力小得多。然而对于均质试样，破裂初始压力和失稳压力是不能区分的，同时均质试

5、样比不均质试样的破裂开始压力和失稳压力值都要高。不同方向孔直径的延长对于表明破裂开始的位置是很好的标志信息。不同方向直径的延长突然加速和分化，将代表着破裂的开始和失稳的到来。此研究结果能够深刻解释水压驱动下微裂纹萌生、扩展、贯通，直到最后宏观裂纹产生导致失稳破裂的过程，尤其是不均质和渗透性材料。1．1．3不同围压作用下非均匀岩石水压致裂过程的影响从细观角度建立了岩体渗流-应力-损伤耦合模型，开发出岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统。从岩石细观非均匀性的特点出发，提出一个描述非均匀材料渗流和破裂相互作用的数值模型。在这个数值模型中，单元的力学、水力学性质根据统计分布而

6、变化，以体现材料的随机不均质性，材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现。渗流-应力-损伤耦合模型能较好地模拟出岩石类材料在水力压裂作用下，微结构非均匀分布和不同围压比对破裂模式、失稳压力的影响．非均匀性导致试件的开裂压力、失稳压力明显不同，裂纹扩展路径不规则发展。围压分布和材料的非均匀性对水压临界值、裂纹扩展方向影响十分明显。1．2单孔岩石水压致裂数据模拟的研究1．2．1单孔岩石水压致裂裂纹破裂过程分析[6]应用岩石损伤破裂过程渗流-应力耦合分析系统RFPA，模拟分析含单孔岩石试样的水压致裂过程。通过对水力压裂过程中裂纹的萌生、扩展、渗透率

7、演化规律及渗流-应力耦合机制的模拟分析，初步揭示了岩石水压致裂过程的失稳力学行为。进一步对比分析了不同围压作用下的岩石裂纹的渐进扩展和破裂过程。通过对不同围压下水压致裂的破坏进行了全过程的数值模拟，分析了不同围压下水压引起的裂纹扩展规律，在水压致裂过程中，存在一个稳定破坏到失稳破坏的临界压力。1．2．2单孔岩石水压致裂裂缝扩展形态的影响因素[7]采用RFPA软件，对水压致裂过程、裂缝扩展形态及注水孔形状和大小、应力条件和岩样强度等影响因素进行了研究。岩样尺寸一定时，微裂压力和破裂压随内孔面积增加而降低，方形孔岩样的微裂压力和破裂压力均小于同面积的圆形孔。微裂压力