能源是国民经济可持续发展之本,我国资源煤多油少,煤层气对于我国能源发展具有重要战略意义。但随着煤炭需求量的增加和开采强度、范围的增大,浅部资源减少,深部煤炭成为我国今后能源开发的主要对象。水力压裂技术随之被引入煤层气抽采中,利用高压水压裂具有软弱面的煤体,使煤体内部裂隙扩张,孔隙增大,从而提高煤层的渗透性能,从而增加煤层气产量,防治煤矿瓦斯灾害。但考虑到实验室进行煤岩试件水力压裂试验时试件取样珍贵、加工困难,且不同试件之间各向异性显著,故采用水泥砂浆作为研究对象,通过制备不同孔隙率的试件,对其进行水力压裂试验研究,旨在分析探索滤失性能对岩石材料水力压裂的影响机制,对于深部煤炭资源开采、煤层气开发等大量岩体工程具有重要的借鉴与指导意义。 首先,利用自主研发的岩石多场耦合渗流与增透实验系统对不同孔隙率水泥砂浆试件进行三轴压缩实验和循环孔隙水压力下的渗流试验。研究表明试件孔隙率随含砂量的增多而逐渐增大,在三轴压缩过程中,试件均经历压密阶段、弹性阶段、屈服阶段以及塑性破坏阶段,其抗压强度随孔隙率的增大而减小,而渗透率规律恰恰与之相反。试件内部大量的原生孔隙裂隙压密闭合,渗透率下降,试件破裂之后,内部产生的大量微裂纹进一步扩展、汇合、贯通,渗透率明显上升。 而后,为探究钻孔注水对水泥砂浆径向破坏与裂隙拓展的影响规律,基于巴西劈裂实验测试不同配比试件的抗拉强度,同时结合声发射探测装置及医用CT开展水力压裂试验。研究表明试件的抗拉强度与起裂压力随孔隙率增大而增大,水泥砂子配比1:1.5的试件抗拉强度为纯水泥试件的1.6倍,较低的注入速率不能使渗透率高的试件完全起裂,压裂液注入试件填充孔隙,同时克服试件的渗透导致的滤失效应之后憋压产生贯通裂隙,完成压裂,而不同渗透率试件在相同注入速率下,压裂效果和裂隙的拓展规律不同,渗透率高的试件裂隙扩展更加复杂。 最后,根据断裂力学和流体力学理论,介绍水力压裂的基本扩展模型,根据相应的滤失模型来研究压裂过程中的滤失现象发现,压裂液滤失越大,起裂压力越大。利用液体体积平衡原理,提出水泥砂浆试件滤失-起裂平衡模型,并利用试验数据对其进行验证,研究了滤失性能对水泥砂浆试件起裂影响的机制,得到一定渗透性能情况下,注入速率、起裂时间和起裂压力之间的关系。