类岩石水力压裂的电性特征及再加载破坏形态实验研究

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水力压裂已经广泛用于煤矿坚硬顶板致裂弱化、冲击地压和煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害防治,为煤矿的安全高效生产提供了保障。水力压裂是利用高压水力诱导裂缝在岩体中扩展形成裂缝弱化带,然而水力裂缝监测及压裂效果评价问题一直没有得到很好解决,可导致压裂盲区,甚至造成压裂诱发煤岩动力灾害。为了对岩石水力压裂过程进行准确地监测与评估,研究岩石水力压裂后受载破坏特征,本文采用自主研发的岩石真三轴水力压裂实验平台和网络并行电法监测仪器,进行了真三轴加载条件下类岩石水力压裂电法监测实验,并进一步开展了类岩石水力压裂后的再加载破坏实验。本研究为采用直流电法进行煤矿井下煤岩体水力裂缝监测及压裂效果评价提供了理论依据,对促进煤岩体水力压裂监测评价技术发展具有重要意义。具体研究成果如下:激励电流均值在不同试样的水力压裂过程中呈现两种典型变化特征,一种是逐渐上升至下降,另一种是上升下降再缓慢上升至下降,电流值的转折点代表试样含水量的变化点;持续注水时裂缝与裂缝网络区域的渗透湿润效应增加了液相导电通道和固液相混合导电通道;停水卸压时,裂缝内液体流失为空气提供存储空间,液、气含量变化使岩石导电能力变化;通过激励电流、区域性视电阻率均值以及水压力变化规律可为水力裂缝起裂扩展提供依据。研究提出了岩石水力压裂视电阻率差值云图监测解释方法,该方法能够得到水力裂缝扩展对岩石视电阻率的改变特征。研究得到了注水压裂时试样内部空间各点的视电阻率呈现以下降为主并伴随波动的现象,这是由于水力裂缝在多方向的扩展引起水量分流,使单一方向裂缝排水量发生变化;增大注水流量能增加各方向裂缝排水量,使原水力裂缝区域降低幅度并增大影响范围,水力裂缝空间形态表征更加明显;停止注水并降低围压,裂缝中水流失形成空腔,导致视电阻率增长。通过视电阻率时空变化特征分析,能够动态表征岩体水力裂缝扩展变化过程与空间分布形态。研究能够基于直流电法监测下的水力裂缝形态,揭示水力压裂对岩体的破裂弱化范围,并且进一步研究了不同形态水力裂缝对试样加载破坏的影响特征。水力压裂实验通过改变最大主应力方向,获得了含横向、竖向和转向型水力裂缝试样;研究发现水力裂缝在试样加载破坏过程的影响主要表现在两方面,其一是水力裂缝尖端在加载时容易率先诱导新裂纹发育,另外是倾斜水力裂缝面为周围岩块滑移变形提供条件;转向型水力裂缝面周围岩石在受载时摩擦力分布不均且容易形成应力集中,并引发张拉破裂或剪切破裂。新裂缝和水力裂缝发育交汇将形成更大断裂滑移面并最终导致试样失稳破坏,新裂缝的发育演变过程与应力-应变特征相吻合。论文有图51幅,表9个,参考文献87篇。
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