我国具有储量极为丰富的煤层气(煤矿瓦斯),但煤层气渗透性低,导致开采效率低、产量低。为提高煤层气的抽采效率,开发了很多人工造缝技术,尤其是高压脉冲水压致裂增透技术因其安全、高效和环保等优点获得业内认可。目前已经有很多专家学者针对该技术进行了研究,并对裂纹在煤岩中的分布形态做出精确描述,但大多方法仅适用于煤岩不同层位的裂纹分析,局限于二维层面,若想进一步在三维层面上对裂纹的空间分布形态进行描述和研究,还需要借助三维重建技术,对结构体内部空间三维上的裂纹扩裂成网进行定性定量精准评价以及裂纹扩展规律的研究。因此本文首先通过对水中高压放电致裂煤岩体和裂纹扩展演化的理论进行分析,结合高压电脉冲致裂煤岩体试验与三维重建技术分析了相同静水压、放电电压逐渐升高条件下,作用在煤岩体上形成的三维空间裂纹扩展情况,定性描述了内部裂纹群的空间分布形态与特征,并利用体积、表面积、节点数、损伤变量、裂隙率、分形维数等指标对裂纹的扩展做出定量评价;最终通过有限元模拟软件ABAQUS建立试验部分的数值模型并计算,验证试验与三维重建所得结论和规律,且另一方面对比研究了弹性模量、泊松比对高压电脉冲水压致裂煤岩体的影响,为高压脉冲水力压裂煤岩体这一技术在实际工程中的应用提供一定的理论基础,主要结论如下: (1)水力裂纹扩展需要的压裂压力大小与裂纹面摩擦系数、地应力之间的差值与煤岩体的压裂程度均呈正比,压裂过程中首先垂直或平行于钻孔方向起裂,在遇到煤岩体内部存在的缺陷、弱结构面或原始微裂纹时,裂纹扩展存在着转向、分叉等随机行为,并且在此行为下继续延伸继而再次连通弱结构面或原始微裂纹,最终发展为极其复杂的裂纹网络结构;(2)经三维重建发现,煤岩体内部存在的裂纹面大多是无数微小裂纹联结而成的片状结构,这些片状裂纹交叉、分叉纵横交错形成复杂的裂纹空间网络,煤岩芯裂纹由上及下的贯通情况不同,中上部存在的裂纹多于下部存在的裂纹,是由于水中高压电脉冲产生的冲击波在煤岩芯试件由上至下传播的过程中产生了损耗,能量逐渐降低,延缓了裂纹的扩展贯通;(3)裂纹起裂方式、分布区域、统计角度数量、裂隙率与角度有密切关系,随着放电电压的增大,各试件裂纹分布的统计角度分别为18个、11个、20个,最大裂隙率分别为0.6474、0.518、0.579,均是先减小后增大,煤岩体裂纹首先由对称的两个角度集中起裂,逐渐向少量角度集中分布的方向上发展,最后呈360°环向发散状分布,形成多角度的裂纹网络,利于煤层气的渗透和流通。 (4)利用盒维数法计算各试件内部各裂纹面的分形维数,数值均稳定处于1~3之间,说明都具有很好的分形特征,裂纹发育状态良好,可以为煤层气提供很好的疏通运移条件,随着电压的不断升高,各试件平均分形维数值分别为1.979、1.993、2.012,说明电压在一定程度上影响了内部裂纹面的弯曲曲折程度。 (5)随着放电电压的升高,煤岩芯试件内部的裂纹表面积、体积、复杂程度、损伤变量均呈稳定增长的趋势,起裂时间越来越早(0.021s、0.008s、0.007s),主裂纹群数量变多(3、4、5),且各裂纹的扩展程度也逐渐变大,应力和裂纹扩展宽度均沿钻孔内壁向外边界逐渐递减;(6)分析冲击波致裂煤岩体的数值模拟可知,弹性模量、泊松比并未影响起裂时间,弹性模量增大,泊松比变小,材料脆性逐渐变大,在冲击波和静水压的共同作用下易形成粗大的主裂纹,且裂纹扩展宽度、贯通程度逐渐变大,进而交叉汇合形成良好的裂纹网络。