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针对煤矿坚硬顶板垮落时易发生冲击灾害,采用水力压裂弱化坚硬顶板技术,现有的煤矿水力压裂技术是在沿钻孔径向的平行于岩层层面机械割缝,注高压水在一定范围内产生水平定向裂缝,达到降低垮落岩层厚度、减小顶板强度的目的。其缺点是不能在巷道的指定位置按照一定方向断裂。因此,提出沿钻孔轴向垂直层面预制裂缝定向压裂技术。本文以紫砂岩、石灰岩为例,采用理论分析和真三轴物理模拟实验相结合的方法,对预制裂缝岩石水力压裂裂缝的起裂和扩展规律展开研究,主要研究内容和研究结果如下:(1)基于线弹性断裂力学分析了预制裂缝孔眼壁围岩应力状态并建立了预制裂缝圆孔水力压裂力学模型,以最大环向张应力准则为起裂判据,分析了裂缝在地应力场和高压水作用下的起裂条件和起裂方向,给出了预制裂缝圆孔起裂压力和起裂角的计算方法。通过理论计算结果与物理实验结果比较,证明该模型可以较好地预测预制裂缝岩石水力压裂时的起裂压力和起裂角。(2)采用真三轴压裂实验装置,研究了不同预制裂缝角对定向压裂裂缝起裂与扩展延伸的影响规律。实验结果表明:预制裂缝长度5mm,水平应力差2MPa时,压裂裂缝均从预制裂缝尖端处起裂,并受到应力场的影响,逐渐向最大水平应力的方向发生偏转。随着预制裂缝角的增加,起裂压力逐渐增大,预制裂缝角从0°增加到90°,起裂压力从9.23MPa增加到13.22MPa,起裂角先增大后减小,在45°取得最大值。随着预制裂缝角的增加,在相同偏转角时,裂缝延伸长度先减小后增大,在预制裂缝角45°达到最小值。(3)采用真三轴压裂实验装置,研究了不同预制裂缝长度对定向压裂裂缝起裂与扩展延伸的影响规律。实验结果表明:裂缝均从预制裂缝起裂,随着预制裂缝长度的增加,起裂压力逐渐减小,起裂角逐渐增大。预制裂缝角为45°,预制裂缝长度由5mm增加到10mm、15mm、20mm时,起裂压力由10.49MPa减小到8.99MPa、8.09MPa、7.69MPa;起裂角由24.1°增大到25.8°、34.5°、43.9°。预制裂缝越长,裂缝向最大水平应力方向偏转的越快,在相同偏转角时,裂缝延伸长度越短。(4)采用真三轴压裂实验装置,研究了不同岩性对定向压裂裂缝起裂与扩展延伸的影响规律。实验结果表明:岩石断裂韧度越大,起裂压力越大。断裂韧度越大,起裂角越小,裂缝向最大水平应力方向偏转的越慢,在相同的偏转角时,裂缝延伸长度越长。岩石断裂韧度越大,可提供起裂位置的预制裂缝角区间越大。