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基于离散元法的类岩石材料水力压裂裂缝扩展规律
水力压裂是煤矿井下卸压的重要技术手段，更好地理解裂缝扩展机理对煤层安全开采具有重要意义。为深入探究水力裂缝扩展规律，针对实验室常用的类岩石试件，利用颗粒离散元数值模拟软件MatDEM，建立了二维水力压裂数值模型，开展了不同注液压力增量的水力压裂试验。试验研究了注液压力增量对水力裂缝扩展的影响，揭示了模型起裂机理，从细观尺度分析了裂隙生成及裂缝扩展规律，并对水力裂缝扩展特性进行了讨论。
结果表明：① 注液压力增量对模型起裂压力与起裂时间变化趋势的影响相反。起裂压力随注液压力增量变大，其增长趋势不断变缓，并逐渐趋近于5.6 MPa。起裂时间随注液压力增量变大不断减小，其减小趋势同样逐渐减缓。② 累计裂隙数目随时间呈指数型增长，将水力压裂过程分为4个阶段(Ⅰ～Ⅳ)：无裂隙阶段、裂隙缓慢增长阶段、裂隙稳定增长阶段和裂隙急速增长阶段，分别对应模型起裂前、模型起裂后裂缝形成前、主裂缝扩展以及次级裂缝扩展过程。随注液压力增量变大，第Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ阶段时长不断减小，第Ⅳ阶段时长呈波动式增长。各阶段裂隙数目关系为第Ⅳ阶段最多，第Ⅲ阶段次之、第Ⅱ阶段最少。③ 随注液压力增量变大，次级裂缝数目由8条增至16条，裂缝增长速度在第Ⅲ阶段以前逐渐减慢，进入第Ⅳ阶段后不断增快。注液压力增量由0.03 MPa增大至0.70 MPa，裂缝最终长度增大1.79倍。④ 模型内部能量随注液压力增量的变大而增加，且能量输入速度逐渐变快。模型起裂后，高压水在裂缝尖端形成应力集中，促使裂缝继续扩展延伸。较高注液压力增量下，裂缝扩展速度变快，颗粒位移量由压裂孔至模型外侧逐渐减小。注液压力增量的变大会使次级裂缝形成位置向压裂孔靠近，对主裂缝的形成及扩展起抑制作用，而对次级裂缝的形成及扩展起促进作用，裂隙类型均为张拉裂隙。
图 1 线弹性模型
图 2 基于孔隙网络模型的密度流体
图 4 试验与模拟结果对比
图 5 水力压裂离散元数值模型
图 6 注液压力增量对起裂压力和起裂时间的影响
图 7 注液压力增量对模型起裂能量的影响
图 9 注液压力增量对各阶段时长和裂隙数目的影响
图 10 模型裂缝数目与注液压力增量关系
冯国瑞，男，1976年7月生，山西阳城人，太原理工大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者、“科学探索奖"获得者、国家优秀青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才。现任山西能源学院党委委员、党委副书记、院长，兼任矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室主任、山西省煤基资源绿色高效开发工程研究中心主任、山西省“1331工程”提质增效科技创新团队带头人、美国采矿、冶金与勘探协会(SME)会员、全国煤炭工业矿山建设与支护专家委员会副主任、中国煤炭学会青年工作委员会副主任、山西省煤炭学会副理事长。承担国家基金重点项目等国家级科研项目7项、山西省重大专项等省部级和企业委托科研项目30余项，出版著作7部，发表SCI、EI收录高水平学术论文220余篇，授权国家发明专利100余项，获山西省技术发明一等奖、中国煤炭工业科学技术一等奖、中国职业安全健康协会科技进步一等奖、中国专利优秀奖、山西省教学成果特等奖等省部级一等以上科研教学成果奖9项、二等奖多项，曾获得国家有突出贡献中青年专家、国家百千万人才工程人选、国务院特殊津贴专家、科技部中青年科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才、全国煤炭教学名师和山西省劳动模范等荣誉称号。
研究方向
难采煤炭资源安全绿色开采与灾害防控
主要成果
发现了遗煤开采的面接触块体梁、扰动块体梁、上控制层-下承载层等岩体结构，揭示了失稳临界条件与机理，提出了基于岩体结构的遗煤开采可行性定量判定方法，构建了遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论；提出了固废资源化结构充填岩层控制的思路与方法，研发了结构充填开采技术，构建了结构充填开采“材料开发-性能优化-效果监测”基础理论与技术体系；研究了残采区瓦斯储集空间的分布形态与演化机制，构建了相应的空间模型，揭示了瓦斯储集空间的发育特性，分析了破碎煤岩体中瓦斯的渗流特性，探究了瓦斯的富集规律，构建了遗煤开采瓦斯地面协同高效抽采的技术体系。
来源：
冯国瑞，樊一江，王朋飞，等. 基于离散元法的类岩石材料水力压裂裂缝扩展规律[J]. 煤炭学报，2024，49(5):2231−2246.
