基于XFEM的定向水力压裂扩展机制研究：考虑支承压力的影响

《Geoenergy Science and Engineering》：Research on extension mechanism of directional hydraulic fracture under abutment stress based on XFEM

本文基于扩展有限元法，系统研究了支撑压力下定向水力压裂的传播机制，分析了应力集中系数、水平地压系数、垂直应力及 perforation 角度对裂缝转向的影响规律，揭示了水平地压系数是主导裂缝转向的关键因素，提出了优化导向孔设计参数的理论依据。

　　在煤矿开采过程中，顶板坚硬岩层的控制是一项关键的技术任务。顶板坚硬岩层因其高强度和稳定性，往往在开采过程中形成显著的应力集中，导致一系列地质灾害，如工作面承受过大压力、煤柱区域出现应力集中以及巷道周围岩体发生严重变形。为了应对这些问题，方向性水力压裂（Directional Hydraulic Fracture, DHF）技术被广泛应用于煤矿，其主要作用是通过高压力水流诱导顶板岩体的弱化，从而转移和缓解局部应力，减少对巷道支护系统的影响。然而，传统的DHF技术在实际应用中仍然面临诸多挑战，尤其是在复杂的应力环境中，其裂缝扩展路径的控制和引导难度较大。

本研究通过引入扩展有限元法（Extended Finite Element Method, XFEM）进行数值模拟，深入探讨了在存在支承应力条件下DHF的扩展机制。与传统有限元方法相比，XFEM能够在不进行网格重构的情况下模拟裂缝的产生和扩展过程，显著提升了计算效率和精度，尤其适用于处理复杂或动态变化的裂缝几何形态。因此，XFEM成为研究实际DHF场景的强大工具。通过该方法，研究人员能够更精确地描绘裂缝附近的应力和位移场，为DHF在复杂地质条件下的应用提供理论支持。

在实际的煤矿环境中，DHF的扩展路径通常受到多种因素的影响，包括应力集中系数、侧向压强系数、垂直压强以及钻孔角度等。这些因素在不同程度上决定了裂缝的走向和扩展特性。例如，研究发现侧向压强系数是影响裂缝重定向的主要因素，而应力集中系数和垂直压强大致对裂缝的重定向影响较小。此外，钻孔角度对裂缝扩展路径也有重要影响，当钻孔角度为90°时，裂缝主要沿垂直方向发展，但在高应力条件下，裂缝的扩展范围会受到侧向压强系数的影响而逐渐缩小。

为了进一步优化DHF技术，研究人员还对有无引导钻孔的情况进行了对比研究。在有引导钻空的条件下，裂缝的扩展路径能够更加精准地沿着预定轨迹进行，从而有效实现顶板的切割效果。而在无引导钻孔的情况下，裂缝的扩展路径则容易受到局部应力环境的干扰，导致偏离预定方向。通过这种方式，研究人员能够更全面地理解DHF在不同应力条件下的表现，并为实际工程中的应用提供科学依据。

此外，本研究还关注了DHF技术在不同地质条件下的适应性。例如，在层状岩体中，DHF的扩展路径会受到岩层间机械性质差异的影响，而这种差异可能导致裂缝的走向发生变化。因此，研究团队通过XFEM模拟了不同岩层间裂缝扩展的路径，揭示了弱面机械性质对裂缝扩展方向的控制机制。同时，研究还发现，当岩体具有各向异性时，DHF的扩展路径也需要相应调整，以确保其能够有效地控制顶板岩层的应力分布。

在实际应用中，DHF技术通常需要在巷道和工作面附近进行实施，因为这些区域最容易受到开采活动带来的应力扰动。然而，由于这些区域的应力环境复杂，传统的DHF方法在实际操作中往往难以达到预期效果。因此，引入引导钻孔成为一种有效的解决方案。通过合理设计引导钻孔的位置和方向，可以显著提升DHF技术的控制精度，使其更有效地引导裂缝沿着预定轨迹扩展，从而实现对顶板岩层的精准切割和应力释放。

本研究的成果不仅有助于优化DHF技术在存在支承应力条件下的应用，还为煤矿安全开采提供了重要的理论支持。通过深入分析DHF的扩展机制，研究人员能够更全面地理解裂缝在不同应力条件下的行为，为实际工程中的技术应用提供科学依据。此外，本研究还揭示了在不同钻孔角度和应力环境下，DHF的扩展路径如何受到影响，从而为工程设计和优化提供了参考。

为了进一步验证DHF技术在不同条件下的有效性，研究团队进行了多组实验和模拟。这些实验包括对不同应力集中系数、侧向压强系数和垂直压强条件下的裂缝扩展路径进行对比分析。通过这些分析，研究人员发现，当侧向压强系数较高时，裂缝的扩展范围会受到限制，导致其在预定方向上的传播能力下降。而当侧向压强系数较低时，裂缝则更容易沿着预定方向扩展，从而实现更好的应力释放效果。

此外，研究还发现，引导钻孔的布置方式对DHF的效果有重要影响。例如，当引导钻孔与裂缝钻孔交替布置时，裂缝的扩展路径能够更加稳定地沿预定轨迹进行。而在单一布置方式下，裂缝的扩展路径则容易受到局部应力环境的干扰，导致偏离预定方向。因此，合理设计引导钻孔的布置方式，对于提升DHF技术的控制精度和效果具有重要意义。

本研究的结论表明，通过XFEM模拟，可以更有效地分析DHF在存在支承应力条件下的扩展机制。研究结果揭示了不同应力集中系数和侧向压强系数对裂缝扩展路径的影响，为实际工程中的技术应用提供了科学依据。同时，研究还发现，当钻孔角度为90°时，裂缝主要沿垂直方向扩展，而在高侧向压强系数条件下，裂缝的扩展范围会受到限制。这些发现对于优化DHF技术、提升煤矿开采的安全性和效率具有重要意义。

综上所述，本研究通过引入XFEM方法，深入探讨了DHF在存在支承应力条件下的扩展机制。研究结果不仅为DHF技术的优化提供了理论支持，还为实际工程中的应用提供了科学依据。通过分析不同应力参数和钻孔布置方式对裂缝扩展路径的影响，研究人员能够更全面地理解DHF技术的特性，并为煤矿安全开采提供有效的解决方案。这些研究成果在推动DHF技术的发展和应用方面具有重要的价值。