煤炭学报

作者：余北辰, 刘应科, 张东明, 蒋长宝, 刘超, 刘玉冰,

关键词：有效应力系数, 气压致裂, 真三轴应力, 渗透率, 煤岩,

深部高应力低渗煤层瓦斯抽采过程中，煤岩体的压实与扩容、力学性能劣化、压裂缝网改造效果以及渗流演化特性与真三轴环境下煤岩体的有效应力(σeij=σij−αijp，σeij为有效应力，σij为主应力，αij为有效应力系数，p为孔隙压力)密切相关，定量有效应力效应的关键是确定αij的各向异性特性。研究了不同深浅部应力状态下CO2压裂过程中煤岩的各向异性有效应力系数演化特性及增渗效果。结果表明：在CO2压裂作用下，煤岩的αij会在压裂诱导损伤进程中表现出各向异性，随损伤程度增大表现出均匀的增幅，αij的各向异性也随之增加，并始终存在α1 > α3 > α2(α1为最大主应力方向有效应力系数，α3为最小主应力方向有效应力系数，α2为中间主应力方向有效应力系数)。三向初始应力的升高限制了致裂裂缝的扩展，初始致裂条件下高应力状态的αij要低于低应力。对于不同致裂方向，初始损伤阶段有效应力系数表现出αF > αB > αD(αF为面割理方向有效应力系数，αB为端割理方向有效应力系数，αD为层理方向有效应力系数)，随着压裂进程推进，与αB、αF相比，αD显示出了更大的增幅，说明沿层理面分布的天然裂隙在高压气体驱动作用下更容易扩展。CO2压裂煤时产生的拉应力作用可以激活尖端裂隙，并与层理、割理面合并发生裂隙偏转，形成剪切或拉剪复合裂缝网络，可提升渗透率与瓦斯抽采效果。但在高地应力条件下，瓦斯抽采效果会变差，沿割理方向致裂时，渗透率提升要优于垂直层理。基于Kirsch应力叠加原理与拉应力准则，建立了CO2压裂时煤岩的破裂压力预测模型，并分析了αij对煤岩破裂压力与裂缝扩展准则的作用。在中等压差条件下，忽略αij会显著高估气体压力抵消主应力的作用，导致计算变形小于实际变形；考虑αij的有效应力避免了对煤层稳定性的低估，在现场瓦斯抽采时，可适当加大二氧化碳致裂压力，增加瓦斯抽采量，有效提高矿井瓦斯治理水平。

来源：2026年第3期

《煤炭学报》期刊编辑部

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