煤层气(瓦斯)作为一种与煤炭共生的资源,其有效抽采不仅能够提升资源利用效率,还能显著降低瓦斯事故的发生风险。近年来,随着高瓦斯、低透气性近距离煤层群的开采规模不断扩大,瓦斯抽采的技术难度也相应增加。鉴于此,本研究基于既有煤岩水力压裂理论成果,系统揭示了煤-岩界面主控裂缝在水力压裂作用下的扩展动力学机制及渗流场演化规律。 为探究水力压裂过程中煤-岩界面主控裂缝扩展行为及气体渗流特性的控制因素,本研究综合采用实验室物理模拟、数值仿真计算和理论模型解析等多维度研究方法,对水力压裂作用下煤-岩主控裂缝扩展与气体裂隙渗流规律进行研究。通过浇筑试件的方式制作煤-岩层水力压裂裂缝扩展试件,研究煤-岩层中不同压裂孔段位置设置下压裂缝网竞争扩展规律;基于ABAQUS有限元分析平台,构建了煤-岩复合地层水力压裂过程的数值仿真模型,对不同因素下的水力压裂裂缝形成过程进行数值模拟计算;采用浇筑试件的方式制作裂隙试件,进行渗透率测试试验,并利用COMSOL仿真模拟软件建立不同裂隙尺寸和形态模型进行数值模拟,探究其渗流规律。得到以下结论: 1)水力压裂的起裂强度、裂隙发育时间及扩展形态受压裂孔段位置和长度比例的影响,裂隙扩展方向与地应力方向密切相关。不同压裂孔段位置下煤岩层协同水力压裂时间-泵压特性曲线均经历了水力压裂憋压阶段、起裂阶段、裂隙发育阶段和裂缝发育完成4个阶段;在裂隙发育阶段时间泵压特性曲线均为“上升-下降-上升”的往复过程;煤岩层协同压裂时其起裂强度和裂隙发育阶段时间与压裂孔段的设置位置有关,压裂孔段在煤层中设置的比例越大,则水力压裂起裂强度越小,裂隙发育阶段时间越短。不同压裂孔段位置下煤岩层协同水力压裂裂隙宏观扩展中,裂隙在煤岩层中均有发育,并且裂隙延伸的方向均是垂直于最小主应力方向,裂隙扩展方向均是沿着水平最大主应力方向;水力压裂裂隙扩展呈椭圆状,水力压裂裂隙扩展与煤岩层本身的强度特性有关;水力压裂裂隙扩展与压裂孔段长度在煤岩体中布置比例有关,压裂孔段长度设置在煤岩体中比例越大,压裂裂隙面积也随之增大。 2)水压裂缝扩展方向和距离受σy/σx比值影响,比值不同,裂缝在岩层和煤层中的扩展行为也不同。当σy/σx的值a<=1时,水力裂缝的扩展主方向与最大主应力轴(x轴向)保持一致,且其启裂过程具有明显的岩层选择性,未能突破煤岩界面分界线;当12时,地应力对水压裂隙形成出现了抑制现象。 3)压裂液排量、煤层弹性模量和主应力差共同影响水力压裂裂缝的扩展速度和形态,其中排量决定裂缝扩展速度和宽度,弹性模量和主应力差影响裂缝在煤层中的扩展难易程度及规模。裂缝扩展速度随着压裂液排量的增大而增大;裂缝宽度随着压裂液排量的增大而增大。随着压裂液排量的增大,达到最大裂隙开度的时间在逐渐减小;随着压裂液排量的增大,最大裂隙开度值在逐渐增大。相同应力条件下,煤层弹性模量增大时,水压在煤层中聚集的难度减小,越容易诱导煤层出现裂缝;煤体弹性模量的增加显著促进水力裂缝在煤层中的扩展性能,具体表现为延伸长度和开度尺寸的同步增大。煤-岩界面水力裂缝穿层扩展存在临界条件,该阈值受控于主应力差与煤体弹性参数的耦合作用。在恒定主应力差条件下,较高的煤层弹性模量可有效降低压裂液在煤相介质中的聚集能垒,从而显著提升裂缝的穿层扩展效率。 4)裂隙开度、深度、粗糙度、围压、渗透压及裂隙结构(平行、半交叉、交叉)均对渗透率和渗流速度有显著影响,其中裂隙开度和粗糙度起伏程度的影响尤为突出。充填单裂隙煤岩试样的渗透特性与裂隙几何参数呈正相关关系,其渗透率随开度扩大及纵深增加而显著提升,但是裂隙开度对渗透率的影响大于裂隙深度对渗透率的影响;随着围压的增大,各组充填型单裂隙煤岩体试件的渗透率均在逐渐增小,并且减小的幅度均在逐渐变小;随着渗透压的增大,充填型单裂隙煤岩体试件的渗透率均在逐渐增大。随着裂隙开度、深度的增大,裂隙出口平均速度也在逐渐增大,渗流速度的增长与渗透压的增长成正比例增长关系。裂隙粗糙度越大,其起伏频率就会越高并且起伏程度也会越大,裂隙的起伏频率和起伏程度会造成渗流气体滞留在裂隙内部,使得流通裂隙的气体阻力变大,影响渗流气体的流通;裂隙起伏的程度对裂隙速度流动的影响大于裂隙起伏频率对裂隙速度流动的影响。双裂隙中,固定裂隙Ⅱ开度不变,改变裂隙Ⅰ开度,使a值改变的情况下,裂隙Ⅰ出口平均速度和裂隙Ⅰ、Ⅱ出口平均速度的平均值随a值增大而增大,裂隙Ⅱ出口平均速度几乎不变。Y型裂隙中,随着α值的增大裂隙交叉处平均速度随之增长,裂隙Ⅰ、Ⅱ出口平均速度的平均值随之减小。X型裂隙中,随着β值增大,裂隙Ⅰ出口平均渗流速度随之减小,裂隙Ⅱ出口平均渗流速度随之增大。