煤炭学报

作者：胡善超, 韩金明, 程亚飞, 亓佳利, 黄俊鸿, 高志豪, 郭世豪, 杨磊,

关键词：套筒定向压裂, 孔间应力分布, 应力强度因子, 临界膨胀力, 起裂角度,

坚硬顶板破断释放巨大冲击动能是诱发煤矿动力灾害的重要因素之一，在特定位置断顶实现岩层的定向断裂、减小坚硬顶板悬顶长度是防治煤岩动力灾害的关键。多孔套筒压裂技术具有操作简单、适用条件广泛等优点，在坚硬顶板弱化领域有着广泛的研究前景。为深入了解多孔套筒压裂机理，采用理论分析与数值模拟方法开展了多孔套筒压裂力学机制研究，揭示了不同影响因素下孔间应力变化规律，获得了压裂过程裂缝扩展规律及力链分布特征。通过钻孔切槽可提升套筒压裂预裂效果，为确定合理的布孔参数，基于线弹性断裂力学建立了含预制缝多孔套筒压裂力学模型，给出了缝端应力强度因子、临界膨胀力及裂缝临界起裂角计算方程，获得了不同影响因素下缝端应力强度因子、临界膨胀力及临界起裂角的变化规律。研究结果表明：① 侧压系数k对钻孔最小起裂应力影响显著，当侧压系数k > 1时，最小起裂应力随布孔角度的增大而减小；当侧压系数k < 1时，最小起裂应力随布孔角度的增大而增大。② 数值模拟结果表明：套筒间存在应力叠加效应，接触力链呈“放射状”分布。套筒压裂过程以张拉破坏为主，孔心连线处变形破坏最剧烈，均沿布孔方向形成了“条带状”断裂面。③ 缝槽改变了缝端附近的应力分布，相较无缝槽模型环向拉应力更大。当缝槽长度为0.5倍孔半径时，临界膨胀力最小，裂缝最易发生扩展。④ 临界起裂角由KⅠ与KⅡ共同决定，且小于70.53°。在泵压与地应力条件无法改变的情况下，可通过调节布孔角度与预制缝槽长度实现岩石的定向压裂。

来源：2024年第8期

《煤炭学报》期刊编辑部

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