水力压裂诱导的粒状软煤渐进破坏：来自大型真三轴实验的应力演化与裂缝扩展

《Powder Technology》：Hydraulic fracturing-induced progressive failure in granular soft coal: Stress evolution and fracture propagation from large-scale true triaxial experiment

　　

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  渐进塑性屈服主导粒状软煤中的破裂。
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  裂缝扩展为从钻孔向外延伸的“镜锥”形体积损伤区
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  应力呈现明显的非均匀分布，并具有随位置变化的演化特征。
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  提出了一种弹塑性三区（破裂-塑性-弹性区）破裂模型。

引言

粒状软煤是强烈构造变形的产物，在全球含煤地层中均有分布，仅在中国就约占煤炭资源的60% [1], [2]，导致部分颗粒崩解和广泛软化 [3], [4], [5]。因此，这些地层具有强度低、塑性变形能力强和超低渗透率（<0.1 mD）的特点，对常规水力压裂技术提出了重大挑战 [6], [7], [8]。

具体而言，粒状软煤层通常表现出裂缝扩展受限、渗透率提升不足，以及煤与瓦斯突出和煤层失稳等问题 [9], [10], [11]。根本原因在于，现有水力压裂理论和设计方法主要基于线弹性断裂力学（LEFM），而该理论最初是为脆性硬岩地层开发的 [12], [13]。LEFM侧重于单一主裂缝的起裂和扩展，而很大程度上忽略了软煤层固有的显著塑性破坏和渐进体积损伤演化 [6], [11], [14]。因此，基于LEFM的框架无法充分描述软煤水力激励的力学响应、破裂行为和控制机制，导致理论预测与现场观测之间持续存在差异。这些局限性要求对颗粒状煤系统的断裂力学进行根本性的重新审视。

关于软煤的弹塑性本质，已有大量研究致力于模拟此类介质中的裂缝起裂和扩展。已针对弹塑性地层推导了考虑塑性变形的起裂压力公式 [15]，并阐明了增强塑性在增加深部储层裂缝扩展阻力方面的作用 [16]。还提出了在地应力和流体压力耦合作用下估算钻孔塑性区半径的简化方法 [17]。此外，已开发了包含塑性损伤的裂缝扩展模型 [18]，以及基于非局部塑性的改造储层体积演化公式 [19]，从而能够定量评估塑性变形对储层改造的影响。这些研究表明，井筒周围煤体不仅发生弹性变形，还会发生塑性屈服，形成相当范围的塑性区。这种塑性变形耗散了注入能量的很大一部分，从而抑制了有效的宏观裂缝扩展。尽管取得了这些进展，现有模型仍然缺乏能够描述完整破裂过程（涵盖弹性变形、塑性屈服和宏观裂缝发育）的统一框架。从颗粒力学角度看，水力加载下煤颗粒的渐进破碎和重新排列进一步使裂缝起裂准则复杂化——这方面尚未得到系统解决。

物理模拟在再现完整破裂过程和阐明应力与裂缝网络耦合演化方面发挥着关键作用 [20]。多位学者对圆柱形软煤试样进行了三轴压缩和水力压裂耦合实验，揭示了颗粒状煤基质的裂缝驱动应力重分布、流体压力运移和变形特征 [21]。利用300 mm立方体试样进行的大规模真三轴实验研究了裂缝起裂和扩展与既有裂缝系统和最大水平主应力之间夹角的关系，并证明煤粉可以阻碍裂缝延伸 [22]。其他小尺度实验研究调查了长期脉动水力注入下的煤损伤机制 [23]，以及近场中由主水力裂缝引起的剪应力集中和最大主应力偏转 [24]。

然而，这些研究在系统表征真实力学条件下应力场和裂缝形态的完整时空演化方面仍然有限。此外，现有研究大多集中于构造煤分类中的原生煤或碎裂煤 [25]，这些煤本身具有相对较高的水力压裂渗透率提升潜力 [26], [27]。相比之下，高塑性煤类型（如粒状软煤）受到的关注相对较少。实验限制（包括试样尺寸小和监测分辨率不足）进一步制约了对裂缝扩展和应力演化的准确表征。

为解决这些问题，本研究建立了软煤层水力压裂的相似准则，并开发了用于大规模真三轴物理模拟的均质煤粉基相似材料。通过将声发射（AE）震源定位与应变反演技术相结合，实现了对整个破裂过程中裂缝形态和应力场演化的实时监测。基于这些观测，阐明了软煤层水力压裂与硬脆煤岩层水力压裂之间的根本差异。此外，结合观测到的应力演化模式和裂缝扩展特征，提出了适用于软煤层的弹塑性三区破裂机制。这些发现不仅推进了对塑性颗粒地层水力压裂机理的理解，也为流体-固体耦合相互作用下的颗粒力学这一更广泛领域做出了贡献。

章节摘要

工程背景

本研究基于重庆市綦江区石壕煤矿6号煤层进行的水力压裂工程 [28]。6号煤层被归类为煤与瓦斯突出煤层，平均厚度1.56 m，倾角8°至12°。无伪顶，直接顶板为致密、坚硬、稳定的石灰岩。煤层的基本物理参数汇总于表1。地应力状态为

压裂曲线与声发射响应

为便于分析，根据压裂曲线的特征（图7）将水力压裂过程分为两个不同阶段：阶段I（0–105分钟），以阶梯式压力升高为特征；阶段II（105–136.1分钟），在此期间流体压力稳定在约1.90 MPa。分析了整个过程中泵送压力、注水流量与声发射参数（环数和累积能量）之间的关系，如图7所示

结论

本研究对粒状软煤中的水力压裂进行了大规模真三轴实验研究，特别关注压裂压力、应力演化和裂缝扩展行为的耦合特性。主要结论总结如下：

• (1)
  粒状软煤中的水力压裂表现出与硬脆地层根本不同的行为。由于其低强度、高塑性和松散孔隙结构，没有明显的

CRediT作者贡献声明

张跃兵： 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，方法学，调查，经费获取，数据管理，概念化。 李全贵： 写作 – 审阅与编辑，监督，调查，经费获取，概念化。 胡千庭： 监督，调查，概念化。 钱亚楠： 写作 – 审阅与编辑，方法学。 宋明洋： 写作 – 审阅与编辑，方法学，调查。 张碧川： 写作 – 审阅与编辑。 程建伟

利益冲突声明

作者声明，他们对此项工作无利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（NO. 52474210）、煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室开放基金（NO. 2011DA105287-FW202310）和成都市龙泉驿区科技计划项目（2024LQRD0043）的资助。我们真诚感谢改进本文的编辑和审稿人。

张跃兵|李全贵|胡千庭|钱亚楠|宋明洋|张碧川|程建伟