目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 非煤巖石強(qiáng)度和變形特征的實(shí)驗(yàn)研究 2
1.1.1 巖石的抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn) 2
1.1.2 巖石單軸壓縮實(shí)驗(yàn) 3
1.1.3 巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn) 4
1.2 煤巖強(qiáng)度及變形特征的實(shí)驗(yàn)研究 5
1.2.1 煤巖的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn) 5
1.2.2 煤巖單軸壓縮實(shí)驗(yàn)研究 5
1.2.3 煤巖三軸壓縮實(shí)驗(yàn)研究 7
1.3 煤巖壓縮破裂聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀及評(píng)述 8
1.3.1 研究歷史 8
1.3.2 聲發(fā)射技術(shù)的研究成果及應(yīng)用 9
1.3.3 聲發(fā)射信號(hào)提取和分析識(shí)別研究 10
第2章 區(qū)域地質(zhì)特征 13
2.1 基本地質(zhì)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(gòu)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(dòng) 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(dòng)對(duì)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(qiáng)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(chǔ)層因素 30
3.2.2 割理與煤級(jí)的關(guān)系 31
3.3 割理對(duì)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(píng)價(jià)儲(chǔ)層滲透性 33
3.3.4 沁水盆地南部寺河礦3號(hào)煤層的割理特征 34
3.4 晉城煤的抗拉強(qiáng)度特征 36
3.4.1 煤巖抗拉強(qiáng)度測(cè)試 37
3.4.2 測(cè)試結(jié)果綜合分析 39
第4章 飽和含水煤巖的單軸抗壓強(qiáng)度特征 43
4.1 試驗(yàn)方法說明 43
4.1.1 試驗(yàn)要求與說明 43
4.1.2 計(jì)算公式 44
4.2 試驗(yàn)結(jié)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?qū)γ簤K的抗壓強(qiáng)度σc和彈性模量有顯著的影響 46
4.3 煤層單軸強(qiáng)度和變形特征 47
4.3.1 煤層單軸強(qiáng)度特征 47
4.3.2 煤巖變形特征 50
4.4 煤樣的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型和變形機(jī)理 52
4.4.1 煤巖單軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型 52
4.4.2 煤巖單軸壓縮條件下的變形破壞機(jī)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(qiáng)度及變形特征的試驗(yàn)研究 58
5.1 試驗(yàn)方法及煤樣制備 58
5.1.1 試驗(yàn)要求與說明 58
5.1.2 計(jì)算公式 59
5.1.3 試驗(yàn)結(jié)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(yīng)變與圍壓的關(guān)系 61
5.2.2 煤樣彈性模量與圍壓的關(guān)系 63
5.3 常規(guī)三軸壓縮條件下煤巖的強(qiáng)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(yàn) 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(yīng)力-應(yīng)變曲線特征 73
6.2.2 煤樣聲發(fā)射應(yīng)變-振鈴計(jì)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(jì)數(shù)率和能量計(jì)數(shù)率的關(guān)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(shù) 81
7.1.1 有限元方法概述 81
7.1.2 ANSYS功能及特點(diǎn) 82
7.2 水力壓裂數(shù)值模擬基礎(chǔ) 84
7.2.1 計(jì)算模型 84
7.2.2 破裂準(zhǔn)則 85
7.2.3 地應(yīng)力 85
7.2.4 破裂壓力計(jì)算方法 88
7.3 模型選擇對(duì)模擬結(jié)果的影響 89
7.3.1 模型尺寸對(duì)模擬結(jié)果的影響 89
7.3.2 網(wǎng)格劃分對(duì)模擬結(jié)果的影響 90
7.3.3 裂隙寬度對(duì)水力壓裂模擬結(jié)果的影響 91
第8章 有限元數(shù)值模擬的破裂壓力計(jì)算 92
8.1 煤巖中無裂縫時(shí)的破裂壓力 92
8.1.1 計(jì)算模型 92
8.1.2 破裂壓力 93
8.1.3 地應(yīng)力對(duì)破裂壓力的影響 99
8.2 先存裂縫對(duì)壓裂的影響 101
8.2.1 計(jì)算模型 103
8.2.2 破裂壓力 104
8.2.3 含裂縫時(shí)破裂壓力與不含裂縫時(shí)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(xué)性質(zhì)的不均勻性對(duì)破裂壓力的影響 111
8.3.1 計(jì)算模型 111
8.3.2 計(jì)算結(jié)果 111
8.3.3 煤巖力學(xué)性質(zhì)對(duì)最大拉應(yīng)力位置的影響 114
8.3.4 材料的各向異性對(duì)破裂壓力的影響 114
8.3.5 材料各向異性和各向同性時(shí)破裂壓力的對(duì)比 119
參考文獻(xiàn) 120
單位和符號(hào) 127
附表1 不同工作壓力條件下井壁所產(chǎn)生的拉應(yīng)力 129
附表2 煤巖裂隙方向與主地應(yīng)力方向夾角不同時(shí)井中壓力在井壁上產(chǎn)生的拉應(yīng)力 132
附表3 煤巖各向異性、無裂隙時(shí)最大力學(xué)參數(shù)與最大地應(yīng)力在不同夾角時(shí)井中壓力在井壁上產(chǎn)生的拉應(yīng)力 176