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《圆孔孔壁水压裂缝扩张的断裂力学分析_程庆迎.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、284煤炭开采新理论与新技术圆孔孔壁水压裂缝扩张的断裂力学分析程庆迎黄炳香(中国矿业大学能源与安全工程学院江苏徐州221008)摘要为了研究水压裂缝的扩展机理,采用断裂力学对回孔孔壁水压裂缝的扩张进行了分析。给出,、了回孔孔壁水压裂缝的应力强度因子计算方法分析了原岩最大主应力原岩侧压力系数和水压力对水压裂缝扩张的影响。水压致裂钻孔的孔径对孔口起裂阶段的水压力参数有较大的影响,且随着钻孔孔径,。,,口的增大孔破裂水压力降低在相同水压力作用下随围岩应力的增加相同裂缝长度下的应力强度因子增大。随着裂缝扩张压力增大,给定水压裂缝的应力强度因子也增
2、大。随着水压裂缝长度的增大,水压裂缝应力强度因子的差值增大。关扭词水压致裂裂缝水压力地应力应力强度因子煤岩水力致裂弱化技术是利用水压裂缝的破裂扩展并控制其扩展形态来弱化煤岩体的整,、体力学性能和改善煤岩体的渗透性能在煤矿生产中达到改善坚硬顶煤的冒放性强度弱化减小冲击矿压危险性、提高瓦斯抽放率等目的。在给定地应力场环境下,水力致裂的水压力参数,。是其关键技术参数直接影响弱化效果的好坏本文运用断裂力学来分析圆孔孔壁水压裂缝,的扩展与压力参数的关系以便进一步研究水压裂缝的,。扩展机理为现场实施水力致裂弱化技术提供依据llll、一团孔孔壁裂缝应力
3、强度因子,以岩体内的钻孔为中心进行受力分析其内受水压,。力尸的作用外部远场受到地应力场的作用假设地护3。l、。。、a。。,。2。3,y应力场个主应力分别为(>~)沿。2,轴方向于无穷远处作用第一主应力沿二轴方向于无穷远处作用第三主应力妈。三维问题简化为平面问题,。处理如图l所示则由弹性力学可知钻孔孔壁没有破图l钻孔压裂力学模型〔’〕:裂前圆孔外域的应力场为..、,,ZZ2.‘、凡·3RPR1z4RZR
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7、口。式中为裂纹尖端表面的法向拉力圆,,。孔孔壁水压裂缝为张裂缝可将裂纹面的法向张力代人应力强度因子公式中求K2一‘。,且又知道裂纹的扩展方向垂直于最小主应力方向〔〕当孔壁产生裂纹后钻孔压力水进,。人裂缝在裂缝尖端表面同时受到地应力场和孔隙水压力的作用在这里考虑裂纹面法向上的张拉力为圆孔外域应力场的。a与裂纹内裂隙水压力之和又考虑到圆孔对应力强度,。因子的影响引人一个应力强度因子修正系数因此圆孔孔壁水压裂缝裂尖应力强度因子lK为、护r‘.龟口矛.‘了.恤、了、了、产了、,J夕.,。la旦丫五万K一R,‘(P+丙)丫天万分,,、,.,、,.,
8、.、zZ2z‘。。厂_lRPR13R]卫}厂十二犷气口1十姚)11十一了】一一一下一一二犷L口-一口3少!1-t一下一ICOS乙U}甲一兀口气4)乙、一一一RLr/r乙、r,J:。;。,;。式中为水压裂缝的半长{k鲁)为应力强度因子修正系数k为侧压力系数J、/,。根据断裂力学应力强度因子计算手册圆孔周边的应力强度因子修正系数见表1裹1应力强度因子修正系数刁R.10,20.30。40.50.60.81.01.52.03.05.010.0O口00f(刁R)2.261.981.831.701.611.571.521.431.381.261
9、.201.131.061.031.00,,根据无限宽板圆孔孔边裂纹的应力强度因子计算方法圈知道当a/R大于4时,。。*1根据煤质大试样应力场控制下的模拟试验结果可知圆孔孔壁裂缝的起接近为’一{”’菩)/J‘。,卜/、,/JJ’”J’只沙J扒J‘Ju目沙RI供~相~仍~下~叨上氏哟似川小,州四土~社耀。裂长度为圆孔孔径的3一5倍采用ANSYS根据实际工作面煤层地质条件进行水力致裂,,;的模拟图2为当钻孔打好之后钻孔无水压作用时圆孔周围的应力分布数值模拟结果表,明应力场由于圆孔作用引起的应力集中系数为1的地方距圆孔中心为4倍左右的圆孔孔,。
10、径在距圆孔中心更远的地方应力分布为原始地应力场故可以认为应力强度因子只有在,圆孔起裂阶段需要修正在水压裂缝扩展阶段可以近似认为圆孔对孔壁水压裂缝的应力强度因子没有影响。:I型裂纹尖端应力场为v
