目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 非煤巖石強度和變形特征的實驗研究 2
1.1.1 巖石的抗拉強度實驗 2
1.1.2 巖石單軸壓縮實驗 3
1.1.3 巖石三軸壓縮實驗 4
1.2 煤巖強度及變形特征的實驗研究 5
1.2.1 煤巖的抗拉強度試驗 5
1.2.2 煤巖單軸壓縮實驗研究 5
1.2.3 煤巖三軸壓縮實驗研究 7
1.3 煤巖壓縮破裂聲發(fā)射實驗研究現(xiàn)狀及評述 8
1.3.1 研究歷史 8
1.3.2 聲發(fā)射技術的研究成果及應用 9
1.3.3 聲發(fā)射信號提取和分析識別研究 10
第2章 區(qū)域地質特征 13
2.1 基本地質特征 13
2.2 地層概述 14
2.3 含煤地層 15
2.3.1 上石炭統(tǒng)太原組 15
2.3.2 下二疊統(tǒng)山西組 17
2.4 構造特征 17
2.5 石炭-二疊系聚煤特征 20
2.5.1 含煤巖系沉積環(huán)境概述 20
2.5.2 成煤環(huán)境與聚煤模式 22
2.5.3 古地理特征與聚煤作用 22
2.6 巖漿活動 24
2.6.1 各期巖漿巖基本特征 24
2.6.2 區(qū)域巖漿熱活動對煤層氣生成的影響 25
第3章 煤層的割理特征及煤巖的抗拉強度 27
3.1 割理類型及特征 28
3.1.1 割理描述要素 28
3.1.2 割理的礦物充填 29
3.1.3 割理分布 30
3.2 影響割理發(fā)育程度的因素 30
3.2.1 影響割理發(fā)育程度的煤儲層因素 30
3.2.2 割理與煤級的關系 31
3.3 割理對煤層滲透率的影響 32
3.3.1 割理平面組合類型劃分 32
3.3.2 煤層割理系統(tǒng)的發(fā)育程度是影響滲透性的內(nèi)在因素 33
3.3.3 利用割理描述要素來評價儲層滲透性 33
3.3.4 沁水盆地南部寺河礦3號煤層的割理特征 34
3.4 晉城煤的抗拉強度特征 36
3.4.1 煤巖抗拉強度測試 37
3.4.2 測試結果綜合分析 39
第4章 飽和含水煤巖的單軸抗壓強度特征 43
4.1 試驗方法說明 43
4.1.1 試驗要求與說明 43
4.1.2 計算公式 44
4.2 試驗結果與分析 45
4.2.1 煤層單軸壓縮破壞特征 45
4.2.2 加載軸線方向對煤塊的抗壓強度σc和彈性模量有顯著的影響 46
4.3 煤層單軸強度和變形特征 47
4.3.1 煤層單軸強度特征 47
4.3.2 煤巖變形特征 50
4.4 煤樣的全應力-應變曲線類型和變形機理 52
4.4.1 煤巖單軸壓縮全應力-應變曲線類型 52
4.4.2 煤巖單軸壓縮條件下的變形破壞機制 54
4.4.3 煤巖變形破壞過程中的能量積聚與耗散規(guī)律 56
第5章 飽和含水煤巖的三軸壓縮強度及變形特征的試驗研究 58
5.1 試驗方法及煤樣制備 58
5.1.1 試驗要求與說明 58
5.1.2 計算公式 59
5.1.3 試驗結果 60
5.2 常規(guī)三軸壓縮條件下煤巖的變形特征 61
5.2.1 煤樣峰值應變與圍壓的關系 61
5.2.2 煤樣彈性模量與圍壓的關系 63
5.3 常規(guī)三軸壓縮條件下煤巖的強度特征 66
5.4 煤的黏聚力和內(nèi)摩擦角 69
第6章 飽和含水煤巖的聲發(fā)射特征 71
6.1 單軸壓縮條件下煤巖破壞過程的聲發(fā)射試驗 72
6.2 煤巖單軸壓縮條件下的聲發(fā)射特征 73
6.2.1 煤樣單軸壓縮情況下的應力-應變曲線特征 73
6.2.2 煤樣聲發(fā)射應變-振鈴計數(shù)率曲線的類型特征 74
6.2.3 煤樣在不同方向上聲發(fā)射特征的差異 77
6.2.4 振鈴計數(shù)率和能量計數(shù)率的關系 80
第7章 水力壓裂有限元數(shù)值模擬 81
7.1 有限元數(shù)值模擬技術 81
7.1.1 有限元方法概述 81
7.1.2 ANSYS功能及特點 82
7.2 水力壓裂數(shù)值模擬基礎 84
7.2.1 計算模型 84
7.2.2 破裂準則 85
7.2.3 地應力 85
7.2.4 破裂壓力計算方法 88
7.3 模型選擇對模擬結果的影響 89
7.3.1 模型尺寸對模擬結果的影響 89
7.3.2 網(wǎng)格劃分對模擬結果的影響 90
7.3.3 裂隙寬度對水力壓裂模擬結果的影響 91
第8章 有限元數(shù)值模擬的破裂壓力計算 92
8.1 煤巖中無裂縫時的破裂壓力 92
8.1.1 計算模型 92
8.1.2 破裂壓力 93
8.1.3 地應力對破裂壓力的影響 99
8.2 先存裂縫對壓裂的影響 101
8.2.1 計算模型 103
8.2.2 破裂壓力 104
8.2.3 含裂縫時破裂壓力與不含裂縫時破裂壓力的比較 109
8.2.4 壓裂裂縫啟裂方位 110
8.3 煤巖力學性質的不均勻性對破裂壓力的影響 111
8.3.1 計算模型 111
8.3.2 計算結果 111
8.3.3 煤巖力學性質對最大拉應力位置的影響 114
8.3.4 材料的各向異性對破裂壓力的影響 114
8.3.5 材料各向異性和各向同性時破裂壓力的對比 119
參考文獻 120
單位和符號 127
附表1 不同工作壓力條件下井壁所產(chǎn)生的拉應力 129
附表2 煤巖裂隙方向與主地應力方向夾角不同時井中壓力在井壁上產(chǎn)生的拉應力 132
附表3 煤巖各向異性、無裂隙時最大力學參數(shù)與最大地應力在不同夾角時井中壓力在井壁上產(chǎn)生的拉應力 176