学科：地质力学

词目：水力压裂法

英文：hydrofracturing method(fracking)

由图可得关泵压力(ps)、裂缝扩展压力(pr)和破裂压力(pf),并按下式计算主应力：最小水平应力σh=ps最大水平应力σH=3ps-pr-po式中：po为孔隙压力。而铅直应力σv可根据上覆岩层的重量计算：σv=ρgH式中：ρ为岩石密度；g为重力加速度；H为测量深度；主应力方位由印模器确定。此法于20世纪50年代由哈伯特(Hubbert)、威利斯(Willis)在理论上进行论证,60年代由夏德格(Scheidergger)、凯利(Keighley)、费尔赫斯特(Fairhurst)等加以完善,海姆森(Haimson)等分析了压裂液渗入的影响,并作大量野外和室内实验工作。由于操作简便,且无须水力压裂法知道岩石的弹性参量而得到广泛应用。美国已进行很多水力压裂法地应力测量,德国、日本和中国等也已相继开展此项工作。目前,此法已能在5000米深处进行测量

低渗透性煤层瓦斯抽采、坚硬厚及特厚煤层综放开采和冲击矿压防治是目前煤矿的技术难题。在煤岩体中人工增加裂缝，弱化其强度、改善其渗透性，是有效解决途径。试验表明，水压控制爆破后进行水力致裂能有效增加水压裂缝的数目和范围；进而提出了煤岩体水力爆破致裂弱化/增透方法。采用大尺寸（500mm×500mm×500mm）真三轴煤岩体水力致裂实验系统等完成了项目内容的研究。掌握了真三轴围压下钻孔水压爆破裂缝空间形态及其影响因素、爆生裂缝对后续水力致裂的导向作用、水力爆破致裂的裂缝扩展规律，为煤岩体水力爆破致裂合理技术参数的确定提供了理论依据。 揭示了真三轴围压下钻孔水压爆破裂缝空间形态。实验结果表明，钻孔水压爆破不一定有气泡脉动现象产生。三向围压下钻孔水压爆破后，以裸孔爆破段为中心，向外依次形成了粉碎压缩区和爆生裂隙区，二个区的外缘在空间上均呈近似椭球体。钻孔径向围压大的方向爆生裂缝范围也大，即钻孔径向横截面的爆生裂缝范围近似呈椭圆分布。根据裂缝产生原因的不同，将爆生裂缝沿钻孔轴向划分为三个带：爆炸冲击带、轴向扩展带和孔口影响带。得出了应力场、孔内初始水压力、单个钻孔装药量、节理裂隙、不同耦合介质等5个关键因素对水压爆破裂缝形态的影响规律。 后续水力致裂使得爆生裂纹进一步扩展并形成多条多向的水压裂缝，局部水压裂缝主要有局部水压裂缝带、局部分支水压裂缝和钻孔轴向分层裂缝三种类型。破裂压力最小的裂缝优先起裂并沿着初始方向定向扩展，最终形成优势主破裂面。垂直于最小主应力的主破裂面较多、其它方向的主破裂面则较少。单裂缝的起裂及扩展准则适用于多裂缝情况，由此确定了水力爆破致裂的裂缝起裂及扩展规律。一旦某种裂缝优先起裂及有所扩展，且取得一定的长度优势后，裂缝扩展的“马太效应”现象就显现出来。水压爆破产生的爆生裂缝发挥着基础性的导向作用。水力爆破致裂后试块的完整性远远低于常规水力致裂。由于水压爆破导致的“应力笼”、新增的主破裂面以及次破裂面，使得相同地应力环境下的水力爆破致裂的初次破裂水压力要高于常规水力致裂，高出的幅度大约为50%~200%。

低渗透性煤层瓦斯抽采、坚硬厚及特厚煤层综放开采和冲击矿压防治是目前煤矿的技术难题。在煤岩体中人工增加裂缝，弱化其强度、改善其渗透性，是有效解决途径。申请者初步试验结果表明，水压控制爆破后进行水力致裂能有效增加水压裂缝的数目和范围；进而提出了煤岩体水力爆破致裂弱化/增透方法。本项目采用大尺寸（500mm×500mm×500mm）真三轴煤岩体水力致裂实验系统等研究煤岩体水压爆破后裂缝形态及其受应力场、原生节理裂隙等的影响，分析水压爆破爆生裂隙分布形态等对后续水力致裂裂缝扩展方向、数目的影响；研究基于水压爆破后多裂缝的三维动态扩展规律及其受应力场、原生节理裂隙等的影响，研究基于爆生裂缝的水压裂缝空间转向的力学机制，分析水压裂缝分叉的力学条件；分析致裂（注水）工艺对多水压裂缝扩展的影响；分析煤岩体水力爆破致裂弱化/增透的效果，确定合理的水力爆破致裂技术参数。

《套筒致裂法测试地应力原理、技术与应用》围绕“地应力测试原理与技术”展开研究。全书共包括8章具体内容，依次对原始地应力的基本特征、现有地应力测试方法、套筒致裂法的理论基础、套筒致裂法测试地应力的基本原理、套筒致裂法地应力测试的方法与步骤、孙疃煤矿原岩应力测试及结果分析、地应力对孙疃煤矿主要岩石巷道稳定性的影响等内容进行了较为详尽的介绍。

由于某些原因，很多现行的地应力测试方法难以适应煤矿等地下工程测试的要求，其中最为主要的原因是测试过程极难控制，致使测试结果的准确程度难以保证。基于这种情况，寻求一种操作简便、过程能够严格控制、理论科学准确的测试方法就显得十分必要。套筒致裂法及相关测试原理与设备就是在这样一种背景下诞生出来的。

套筒致裂法测试地应力的基本原理是利用测点处互相垂直的三方向致裂压力直接测出主地应力的大小、方位，即直接给出测点主单元体。测试过程中压力的变化采用智能压力计连续计数，计数频率最高可达10~60个/秒，依据两次致裂获得的连续变化的压力值即可直接确定套筒致裂压力。

该测试方法的最大优点在于可以直接获取主地应力大小、方位，不需要借助测点岩石的弹性常数，同时还可以对上覆岩层的重量进行准确的推算。此外，本书还详细地介绍了构造应力的求解方法及测点上下一定范围内各层岩层中构造应力及主地应力的大小与方位的计算原理，并通过具体实例给予了示范。

本书共分8章，其中第1、2、3、4章由经来旺、郝朋伟共同撰写，第5、6、7、8章以及附录A、附录B由张浩撰写。全书由经来旺规划、整理。

本书在撰写过程中得到了淮北矿业集团的大力支持与帮助，在此深表感谢！