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第4 5 卷第3 期 2 0 2 0 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．3 M a r ．2 0 2 0 移动阅读 吴拥政，杨建威．煤矿砂岩横向切槽真三轴定向水力压裂试验[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 3 9 2 7 9 3 5 ．d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．S J 2 0 ．0 1 8 1 W UY o n g z h e n g ，Y A N GJ i a n w e i ．T r u et r i - a x i a ld i r e c t i o n a lh y d r a u l i cf r a c t u r i n gt e s to ns a n d s t o n ew i t ht r a n s v e r s eg r o o v e s i nc o a lm i n e [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 3 9 2 7 9 3 5 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．e n k i ．j C C S ．S J 2 0 ．0 1 8 1 煤矿砂岩横向切槽真三轴定向水力压裂试验 吴拥政1 ’2 ⋯，杨建威1 ’2 ’3 1 ．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京1 0 0 0 1 3 ；2 ．煤炭科学研究总院开采研究分院，北京1 0 0 0 1 3 ；3 ．煤炭资源高效开采与洁净利 用国家重点实验室，北京1 0 0 0 1 3 摘要为揭示煤矿基本顶细砂岩定向水力压裂裂缝起裂、扩展规律，在煤矿井下原位获取并加工 成3 0 0m m X 3 0 0m m X 3 0 0m m 大尺寸细砂岩，在试样正中布置直径2 6m m 的压裂孔，采用专用切槽 钻头垂直钻孔轴向预制长1 2m m 的三维楔形横槽，开展大型真三轴定向水力压裂试验与高能工业 C T 扫描，研究了原生层理方向与水平应力差大小对水力裂缝起裂压力、扩展形态、水压一时间曲线、 压裂体积的影响规律，并引入定向偏转距概念 预制切槽处裂缝沿其方向定向扩展不发生偏转的 距离 来表征定向压裂效果。试验结果表明预制横向切槽可驱使其附近裂缝沿着切槽定向起裂、 扩展，裂缝形态分为单一横切型和复杂“H ”型；水压一时间曲线根据裂纹扩展阶段的不同，分为平缓 式波动型和断崖式跌落型。水平应力差对切槽处的裂缝定向偏转距影响程度大于层理方向。高水 平应力差作用下切槽尖端应力集中程度更高，穿越层理面能力更强，裂缝从切槽尖端起裂后与层理 交汇后不发生偏转，切槽定向效果较好；而低水平应力差作用下裂缝扩展时遇到层理易发生转向， 切槽定向效果差。高水平应力差作用下裂缝定向偏转距为低水平应力差作用下的1 0 倍，前者切槽 可定向裂缝扩展至试样边界，后者切槽仅可控制其附近裂缝扩展方向，之后逐渐偏转至与最大水平 主应力方向平行。层理平行切槽时，裂缝平均起裂压力、压裂体积是垂直切槽时的1 ．7 倍；高水平 应力差作用下裂缝平均起裂压力、压裂体积是低水平应力差作用下的1 ．3 倍。层理效应在低水平 应力差作用下明显，当切槽与层理方向一致时，切槽附近层理最易被激活并沿切槽定向扩展，裂缝 宽度与形态复杂多样，反之，较难被激活，裂缝形态单一；而高水平应力差作用下不同方向的层理均 能被激活，裂缝扩展充分，形成形态复杂多样的缝网。 关键词细砂岩；真三轴；横向切槽；定向水力压裂；裂缝扩展；定向偏转距 中图分类号T D 3 2 2 ．5文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 0 0 3 - 0 9 2 7 - 0 9 T r u et r i - a x i a ld i r e c t i o n a lh y d r a u l i cf r a c t u r i n gt e s to ns a n d s t o n ew i t h t r a n s v e r s eg r o o v e si nc o a lm i n e W UY o n g z h e n 9 1 ，2r ．Y A N GJ i a n w e i 1 2 ’3 1 ．C o a lM i n i n ga n dD e s i g nD e p a r t m e n t ，T i a n d iS c i e n c e T e c h n o l o g yC o ．，L t d ．，B e i j i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；2 ．C o a lM i n i n gB r a n c h ，C h i n aC o a lR e s e a r c hI n s t i - t u t e ，B e i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；3 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f C o a lM i n i n ga n dC l e a nU t i l i z a t i o n ，B e i j i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a A b s t r a c t T or e v e a lt h ei n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o nl a wo fd i r e c t i o n a lh y d r a u l i cf r a c t u r e so fm a i nr o o ff i n es a n d s t o n e ，t h e t r u et r i - - a x i a ld i r e c t i o n a lh y d r a u l i cf r a c t u r i n ga n dh i g h - - e n e r g yC Ts c a n n i n gt e s t sw e r ec a r r i e do u to nt h e3 0 0m m X 3 0 0m m X 3 0 0m ml a r g e s c a l es a n d s t o n es p e c i m e n so b t a i n e di nt h eu n d e r g r o u n dm i n e ，a2 6m md i a m e t e rf r a c t u r i n g 收稿1 3 期2 0 2 0 0 卜0 3修回日期2 0 2 0 0 2 2 0责任编辑郭晓炜 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 7 Y F C 0 6 0 3 0 0 3 ；国家自然科学基金资助项目 5 1 7 7 4 1 8 6 作者简介吴拥政 1 9 7 8 一 ，男，河南修武人，研究员，博士。T e l 0 1 0 8 4 2 6 3 9 1 l ，E - m a i l i t i a n d i w y z 1 6 3 ．c o m 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 h o l ei sd r i l l e di nt h ec e n t e ro fe a c hs a m p l e ，a n das p e c i a lg r o o v e dd r i l lb i ti su s e dt op r e f a b r i c a t ea12m mt h r e e d i - m e n s i o n a lw e d g e s h a p e dt r a n s v e r s eg r o o v ei nt h ea x i a ld i r e c t i o n ．T h ee f f e c t so fb e d d i n gd i r e c t i o na n dh o r i z o n t a ls t r e s s d i f f e r e n c e so nt h eh y d r a u l i cc r a c ki n i t i a t i o n p r e s s u r e ，e x t e n s i o np a t t e r n ，h y d r a u l i cp r e s s u r e t i m ec u r v ea n df r a c t u r i n g v o l u m ea r es t u d i e d ，a n dt h ec o n c e p to fd i r e c t i o n a ld e f l e c t i o nd i s t a n c e ，o v e rw h i c ht h ec r a c kp r o p a g a t e si nt h ed i r e c t i o n o ft h eg r o o v ew i t h o u td e f l e c t i o n ，i si n t r o d u c e dt oc h a r a c t e r i z et h ee f f e c t o fd i r e c t i o n a lf r a c t u r i n g ．T h et e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h ep r e m a d et r a n s v e r s eg r o o v e sc a nd r i v et h ec r a c kt oi n i t i a t ea n de x t e n da l o n gt h eg r o o v e ．T h ec r a c kp a t t e r n so f s p e c i m e n sw i t ht r a n s v e r s eg r o o v e sa r ed i v i d e di n t ot w ot y p e s “一’’a n d “H ”．T h eh y d r a u l i cp r e s s u r e - t i m ec u r v ec a n b ed i v i d e di n t og e n t l ew a v et y p ea n dc l i f fd r o pt y p ea c c o r d i n gt ot h ec r a c kp r o p a g a t i o ns t a g e ．T h eh o r i z o n t a ls t r e s s d i f f e r e n c ea f f e c t st h ed i r e c t i o n a ld e f l e c t i o nd i s t a n c em o r et h a nt h eb e d d i n gd i r e c t i o n ．I nt h ec a s eo fh J i g hh o r i z o n t a l s t r e s sd i f f e r e n c e ，t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o na tt h et i po ft h eg r o o v ei sh i g h ，w h i c hp r o m o t e st h ea b i l i t yo fc u t t i n gt h r o u g h t h eb e d d i n gp l a n e s ．A f t e rt h ec r a c ki n i t i a t i o na tt h et i po ft h eg r o o v e ，t h ec r a c kd o e sn o td e f l e c tw h e ni n t e r s e c t i n gw i t h t h eb e d d i n gp l a n e s ，a n de x t e n d st ot h eb o u n d a r yo ft h es p e c i m e n ．I nt h ec a s eo fl o wh o r i z o n t a ls t r e s sd i f f e r e n c e ，t h e c r a c ki sp r o n et od e f l e c tw h e ni tc o m e sa c r o s st h eb e d d i n gp l a n e s ，r e s u l t i n gi nt h ep o o rd i r e c t i o n a lp r o p a g a t i o np e r - f o r m a n c eo ft h eg r o o v e ．T h ea v e r a g ed i r e c t i o n a ld e f l e c t i o nd i s t a n c ef o rt h eh i g hh o r i z o n t a ls t r e s sd i f f e r e n c ei s1 0t i m e s o ft h a tf o rt h el o wh o r i z o n t a ls t r e s sd i f f e r e n c e ．T h ef o r m e rc a ne x t e n dt h ed i r e c t i o n a lc r a c kt ot h es p e c i m e nb o u n d a r y ， a n dt h el a t t e rc a no n l yc o n t r o lt h el o c a lc r a c kp r o p a g a t i o n ，t h e nt h ec r a c kw i l lg r a d u a l l yd e f l e c tt ot h ed i r e c t i o no ft h e l a r g e s tp r i n c i p a ls t r e s s ．T h ea v e r a g ei n i t i a t i o np r e s s u r ea n df r a c t u r i n gv o l u m ef o rs p e c i m e n sw i t hb e d d i n gp l a n e sp a r a l l e lt ot h eg r o o v e si s1 ．7t i m e so ft h a tp e r p e n d i c u l a rt ot h eg r o o v e s ，a n dt h ea v e r a g ec r a c ki n i t i a t i o np r e s s u r ea n df r a c t u - r i n gv o l u m ef o rs p e c i m e n sw i t hh i g hh o r i z o n t a ls t r e s sd i f f e r e n c ei s1 ．3t i m e so ft h a tw i t hl o wh o r i z o n t a ls t r e s sd i f f e r e n c e ．T h eb e d d i n ge f f e c ti so b v i o u sa tt h el o wh o r i z o n t a ls t r e s sd i f f e r e n c e ，e s p e c i a l l yw h e nt h eg r o o v ei sp a r a l l e lt ot h e b e d d i n gp l a n e ，a n dt h eb e d d i n gp l a n e sn e a rt h eg r o o v ea r em o s tl i k e l ya c t i v a t e da n de x t e n d e da l o n gt h eg r o o v ed i r e c t i o n ．O t h e r w i s e ，i ti sh a r dt ob ea c t i v a t e d ．H o w e v e r ，t h eb e d d i n gp l a n e sc a nb ea c t i v a t e du n d e rh o r i z o n t a ls t r e s sd i f f e r - e n c e ，w h i c hc o m p l e xc r a c k sn e ta r ef o r m e d ． K e yw o r d s f i n es a n d s t o n e ；t r u et r i - a x i a l ；d i r e c t i o n a lp r e m a d ec r a c k ；d i r e c t i o n a lh y d r a u l i cf r a c t u r i n g ；f r a c t u r ep r o p a g a t i o n ；d i r e c t i o n a ld e f l e c t i o nd i s t a n c e 水力压裂技术在石油、煤炭等行业运用非常广 泛，其中，在煤矿井下主要应用在围岩控制和低渗透 煤层增透领域，解决了一系列工程难题【I ’1 。按压裂 前是否进行预制切槽分为常规压裂和定向压裂，其 中，定向压裂按切槽与钻孔轴向方位又分为横向 垂 直钻孔轴向 和纵向 沿钻孔轴向 压裂。 近些年，煤炭科学研究总院开采研究分院开发出 小孔径 直径6 0m m 左右 横向切槽定向水力压裂成 套技术。8J ，以其施工速度快、成本低、安全性高等突 出优点，在晋城、大同、神南、神东等矿区工作面坚硬 顶板控制、冲击地压防治、动压巷道卸压中迅速推广 应用，其技术原理为在注入高压水前，通过专用切槽 设备垂直压裂钻孔轴向预制横向切槽，人为干预以控 制裂缝扩展方向，破坏坚硬顶板的完整性，释放或转 移部分高应力，从而达到卸压的目的。其中，掌握裂 缝起裂与扩展机制是决定卸压成败的关键，而真三轴 水力压裂物理试验是揭示裂缝起裂与扩展规律的重 要手段。 国内外学者对水力裂缝扩展规律进行了大量 真三轴试验研究。H E 等副研究了压裂孔表面预 先割缝条件下的裂缝扩展规律；刘正和等4 1 研究 了预制裂缝角度、水平应力差、注液速率对砂岩钻 孔轴向预制裂缝起裂与扩展规律的影响；侯振坤 等纠研究了页岩水力裂缝延伸特征；衡帅等钊发 现裂缝遇见层理会发生偏转、分叉，已形成复杂的 裂隙网络；徐幼平等0 17 ] 研究了定向水力压裂过程 中煤体的裂隙发展分布规律；考佳玮等副研究了 高水平应力差下裂缝扩展形态；H U A N G 等引研 究了层理对混凝土试样水力裂缝扩展规律的影 响；曾义金等旧叫研究了排量类型对深层页岩复杂 裂缝形成的影响。 从上述研究可见，研究对象主要为页岩、煤块、煤 岩组合体及混凝土试样，压裂方式有预制切槽和无切 槽，研究的影响因素主要集中在射孔角度、水平应力 差、层理、排量、黏度等方面。但是，上述研究多集中 在油气行业，预制切槽主要是纵向切槽 沿钻孔轴 向 ，且试样主要来自于地面露头岩层和预制混凝 土，而坚硬顶板及动压巷道压裂层位多为砂岩，定向 万方数据 第3 期吴拥政等煤矿砂岩横向切槽真三轴定向水力压裂试验 9 2 9 压裂方式为横向切槽，针对此种工况下原位获取的顶 板砂岩真三轴水力压裂试验较少。 笔者在某煤矿井下原位获取细砂岩并制作成 3 0 0m m x 3 0 0m i n x 3 0 0m m 试样，采用专用切槽设备 对其预制横向切槽，运用大型真三轴水力压裂试验系 统，研究层理、水平应力差对砂岩横向切槽下裂缝扩 展的影响机制。研究结果可为煤矿井下定向水力压 裂孔间距、切槽位置等参数设计提供参考。 l 试验设计 1 ．1 试样制备 细砂岩从某煤矿井下工作面基本顶层位获取，加 工成3 0 0m i n X 3 0 0m m X 3 0 0m m 立方体试样。在试样 正中分别平行层理方向 垂直钻孑L 轴向，平行切槽 和层理垂直方向 沿钻孑L 轴向，垂直切槽 钻出直径 2 6l l l m 、长1 7 0n l l l l 的压裂孑L ，然后采用专用机械开槽 钻头在孔内1 5 0m i l l 处预制1 2m i l l 长的三维横向楔 形切槽 垂直钻孑L 轴向 ，开槽钻头及楔形切槽效果 分别如图l ，2 所示。 图1 切槽钻头 F i g ．1G r o o v i n gl i l t 罔2 横向楔形切槽形态 F i g ．2 T r a n s v e r s ew e d g eg r o v em o r p h o l o g y 1 ．2 试样基本力学特性 对不同层理标准岩样开展单轴及三轴压缩试验， 应力一应变曲线如图3 所示，其中，盯．为最大主应力； 矿，为最小主应力。平行层理面加载时，单轴抗压强 度111 ．4M P a ，弹性模量1 6 ．1M P a ，泊松比0 ．0 8 5 ，内 摩擦角5 5 ．1 。，黏聚力2 2 ．2M P a ；垂直层理面加载时， 单轴抗压强度1 3 1 ．7M P a ，弹性模量2 9 ．7M P a ，泊松 比0 ．2 2 8 ，内摩擦角5 5 ．3 。，黏聚力1 8 ．6M P a 。 2 4 0 n 缡 堡l 8 0 1 4 0 0 ．6 0 ．4 0 ．20O ．20 ．40 ．60 ．81 ．01 ．2I ．4 径向应变肠轴向应变惕 a 平行层理加载 r - N 4 0 拽 Rl 墨1 2 0 8 0 4 0 0 ．6 0 ．4 0 ．200 ．20 ．40 ．60 ．81 ．01 ．21 ．4 径向应变／％轴向应变惕 b 垂直层理加载 图3 砂岩应力一应变曲线 F i g ．3 S a n d s t o n es t r e s s s t r a i nC H I V E S 1 ．3 试验系统 试验采用中科院武汉岩土力学研究所大型真三 轴水力压裂试验系统5 I ，系统框架如图4 所示，该套 系统主要由真三轴伺服加载系统和水压伺服压裂系 统两部分组成。三向加载能力均为30 0 0k N ，加载精 度0 ．1k N ，最高水压达1 0 0M P a ，最大试件尺寸 8 0 0m m X 8 0 0m m 8 0 0m m ，可满足不同试验参数需 要。 1 ．4 试验方案 试验方案考虑层理和水平应力差两种因素，其 中，层理设置水平 垂直钻孔轴向，平行切槽 和竖 直 平行钻孔轴向，垂直切槽 两种，保持原生层理方 向不变，通过调整钻孑L 方向设置；水平应力差设置低 水平 4 ．1 8M P a 和高水平 8 ．3 6M P a 两种，共4 种 试验方案，8 个试样，试样编号及参数见表1 。压裂液 为清水，注入红色示踪剂用于观察裂缝形态，压裂 万方数据 9 3 0 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 图4大型真 轴水力压裂试验系统框架 F i g ．41 2 1 1 ‘g e M ‘a l et r u eh i a x i a lh v d l l a u l i ‘f j ’d ‘l u r i n gl e s ts y s t e mf l a l | l e 排量参照前人成果8 ，定为0 ．5m L , ／s ，压裂液黏度 li l l P a s ，试验方案示意如图5 所示。其中，地应力 盯、，矿∽盯。采用小孔径水压致裂法在井下实测获得， 测试结果分别为13 ．2 5 ，9 ．1 5 ，4 ．9 7M I ’a 。方案l ，2 为低水平应力差力‘案，垂直应力与最大、最小水平主 应力均为实测地应力大小；方案3 ，4 为高水平应力差 方案，垂直应力为实N f f - [ ，最大、最小水平主应力为实 测值的2 倍。 表1 水力压裂试验参数 T a b l e1 H y d r a u l i cf r a c t u r i n gt e s tp a r a m e t e r s 2 试验结果与分析 在下文分析I } _ 】，同种方案结果类似，因此，采用 1 个试样结果为代表讨沦，分别以3 ，4 ，5 和8 号试 样为例。此外为描述方便，把试样三向加载面简化 为≮，，7 ，z 面，其与加载应力对』、证关系为x 而为最 小水平主应力t 丁，．加载面，，，面为最大水平主心力 厂．．加载面，Z 面为垂直主应力盯、加载f 面，三向加载 J ≤或；爹”蔓絮瓣卜∥，‘， 怪 直 层 理、 a 水1 F L Ⅷ 力‘案 J o b 蛏直层理方案 图5 试验方案示意 F i g ．5 T e s lp l a nH ’l l e m a t i ‘d i a g l ’a 1 1 1 图6加载』、讧力与承载而对应父系示意 F i g ．6C ⋯I e s p o n d e n ‘‘Pb e t w e e nI o a d i i i gs h ’P s s t l l l dI e a r i n g S 1 ．1 l f d P ㈠廿 愤m 切分 万方数据 第3 期1 4 书l J 政等煤矿砂7 横向切惜真二i j I l j 定向水力J f i 裂试验 2 ．1 裂缝扩展形态特征分析 2 ．1 ．1 表面裂缝扩展形态 试样表面裂缝扩展形态如图7 所，J ；，其特征分析 如下 邕迸 垒建皇I 暨遵 H7 试样表面裂缝形态 F i g ．7 E x t m ’h a lf I ’a 虮I l t Pl n O l ‘p h 0 1 ．g y 【J I lS l 】, e c i m e n 3 号试样产生与最大水平主应力方向呈约1 5 。的 主破裂面，州时，沿水平层理产生两条大裂缝，其中1 条。j 主破裂面交汇，3 者构成近“H ”型裂缝网络 图 7 a 。 4 号试样在正中沿竖直层理形成单一横切型主 裂缝，与最大水平主应力方向平行，贯穿整个试 样 图7 1 ， 。 5 号试样产生4 条相互交叉的“H ”型复杂缝网， 其中，2 条与最大水平主应力方向平行，1 条裂缝贯穿 整个试样，l 条较短，分别与另两条沿水平层理方向 形成的裂缝连通 图7 c 。 8 号试样形成的主裂缝面呈圆弧状，与最大水平 主应力方向约呈3 0 。夹角。此外，试样正1 f ，切槽处广 生1 条水平大裂缝 图7 c 1 。 2 ．1 ．2 内部裂缝扩展形态 试样内部裂缝扩展形态采用人T 剖切观察红色 示踪剂范围和高能c T 扫描 仅3 号试样 来获取。 内部裂缝形态如图8 所示，裂缝扩展形态特征为 对3 号试样压裂后、剖切前在切槽层位 试样J F 中 开展C T 扫描，如图8 a 所示，在切槽一侧产生 明显的长裂缝，但宽度较小涪0 切后，如图8 | 所示， 沿着切槽形成一条长约3 01 1 1 1 1 ，明疆的定| f i l J 裂缝，并 伴有多条微裂隙。 历鬲1 一 p 弋 定l 句裂缝 l 二二一 c 4 号试样 d 5 号谢 图8 试样内部裂缝形态 F i g ．8 I n t er ’l l a I ‘I a 【‘kI I l O l ’p h o l o g yo fs p P 【‘i m e , 1 4 号试样切槽一侧未产生裂缝；另一侧产生2 条 明显的裂缝，一条在切槽附近，另一条在钻孔底部，均 沿4 5 。方向向下延伸，但裂缝均未} 夸切槽定向扩 腱 图8 c 。 5 号试样切槽两侧裂缝非对称分布，- - t N ／ ，1 i 沿 切槽至边界长1 5 0l l l n l 的定向宽裂缝；另一侧裂缝‘j 譬I 心1 1 。‘t 13 0 。火角，一直延伸到试样底端，与} f } 层理形 成的裂缝交汇，构成主次裂缝交叉的复杂缝网 图 8 1 。 8 号试样有两处裂缝I X 域，一处位于切槽附近， 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 沿切槽至边界产生大范围、连续的长1 5 0m m 定向裂 缝带；另一片区域在边界附近，扩散范围较小 图 8 e 。 2 ．1 ．3 层理对裂缝扩展规律影响分析 通过对比同一水平应力差、不同层理下的试样裂 缝形态，来揭示层理对其扩展影响规律。 水平层理条件下，3 ，5 号试样沿层理方向形成多 条宽度不一的裂缝，其中切槽层位裂缝较其他位置裂 缝宽且延伸远，与最大水平主应力方向形成的主裂缝 交汇，发生偏转、穿越，构成复杂缝网。可理解为切 槽方向与水平层理一致，切槽尖端先产生应力集中， 且原生层理面断裂韧度远低于砂岩基质，二者耦合作 用，切槽附近层理最易被激活并沿切槽定向扩展；同 时，其他位置层理不断被开启，产生大量宽度不一的 新裂缝后逐渐偏转，与受最大水平主应力控制的主裂 缝连通、转向，最终形成复杂的裂缝网络。 竖直层理条件下，4 号试样切槽附近未见定向裂 缝，仅沿最大水平主应力方向形成单一横切主裂缝，8 号试样虽然在切槽方向产生定向裂缝，但裂缝形态相 对简单。可理解为竖直层理与最大水平主应力方向 平行，二者相互作用，裂缝沿最利于起裂的方向扩展， 水压能量主要沿该方向释放，而切槽与二者方向垂 直，该方向水压能量释放较少，虽然切槽附近存在沿 其定向扩展的裂缝，但受最大水平主应力影响，形成 的裂缝数量较少、宽度较小，最终导致裂缝扩展的形 态较为单一。 2 ．1 ．4 水平应力差对裂缝扩展规律影响分析 通过对比同一层理方向、不同水平应力差作用下 的试样裂缝形态，来阐明水平应力差对其影响规律， 分以下2 种情况 3 号试样虽和5 号试样裂缝形态相似，均是层 理 含切槽 裂缝和与最大水平主应力平行的主裂缝 交汇而成的复杂缝网，但是后者裂缝长度和宽度均明 显大于前者。 4 号试样和8 号试样裂缝形态差异较大，4 号试 样内部切槽层位形成的裂缝较小，试样外部仅形成与 最大水平主应力平行的单一主裂缝，而8 号试样内部 切槽层位形成较长的定向裂缝带，在试样外部形成与 3 ，5 号类似的复杂缝网。 以上两种不同的情况可以理解为 1 低水平应力差作用下，裂缝驱动力小，在切 槽尖端起裂后定向扩展一定距离后偏转，甚至起裂 后立即发生小角度偏转，切槽定向裂缝扩展不充 分，而且主裂缝沟通原生层理能力弱，在穿越层理 面过程中消耗一定能量后逐渐偏转，部分层理甚至 没有被激活，导致形成数量少、宽度小的单一形态 裂缝。 2 高水平应力差作用下，相对低水平应力差， 切槽尖端应力集中程度更高，驱使裂缝扩展的能力 强，平行和垂直方向的层理均被不同程度的开启，在 交汇处穿越后不发生偏转，裂缝从切槽尖端起裂后一 直定向扩展至试样边界，切槽定向裂缝扩展比较充 分，易形成数量较多、宽度多样的相互交叉的复杂缝 网。 2 ．2 定向偏转距影响分析 定向偏转距定义为预制横向切槽处裂缝沿着其 方向扩展不产生偏转的距离。基于2 ．1 节中的定向 偏转距数据，绘制试样裂缝定向偏转距散点图，如图 9 所示。 1 6 0 1 4 0 昌1 2 0 蛊1 0 0 曩8 0 堡6 0 厦4 0 删2 0 O 图9 试样裂缝定向偏转距散点图 F i g ．9 S c a t t e rp l o to fs p e c i m e nc r a c ko f e n t m i o nd e f l e c t i o n d i s t a n c e 由图9 可知，高水平应力差作用下平均裂缝定向 偏转距为低水平应力差作用下的1 0 倍左右，而水平 层理下平均裂缝定向偏转距为竖直层理下的1 ．1 倍 左右。可见，水平应力差对裂缝定向偏转距的影响程 度远大于层理方向。 层理方向对裂缝定向偏转距影响主要体现在低 水平应力差方案，水平层理下的3 号试样定向偏转距 为3 0m m ，而竖直层理下的4 号试样切槽附近的裂缝 从起裂位置就开始偏离，偏转距几乎为0 。可见，层 理效应主要在低水平应力差作用下表现明显，随着应 力差的升高，层理效应逐渐变弱。 定向偏转距可以为煤矿井下定向水力压裂钻孔 间距、切槽层位间距等核心参数的确定提供重要参 考。 2 ．3 水压一时间曲线特征分析 试样水压／累计注入量一时间曲线如图1 0 所示， 其中累计注入量为裂缝内注入水的体积，压裂体积散 点图如图1 1 所示，曲线特征分析如下 3 号试样水压一时间曲线较为复杂，分4 个阶 段第1 阶段为裂缝萌生期；第2 阶段为裂缝起裂一 万方数据 第3 期吴拥政等煤矿砂岩横向切槽真三轴定向水力压裂试验 2 5 2 0 1 5 叠 蚕l o 幽5 O 压力累积注入量 罗l 唧墼第2 阶段I 第≥阶『_ 丁磊一一 ’一| 1 ／ T 。 j。 ／ 。 多∥l 一 。 ／ ‘ ／ 一 ／ 。 ／ 一 O4 08 01 2 0 1 6 02 0 0 2 4 02 8 0 3 2 0 3 6 0 时间／s a 3 号试样 02 04 06 08 01 0 01 2 0 时间／s b 4 号试样 一第咖一1 0 2 阶∥| _ 第3 阶段一肾 ／l 一～一1 ； 1 2 0 1 0 0 8 0置 捌 6 0 一 “ 4 0 土 嘣 2 0 O 05 01 0 0 1 5 0 2 0 02 5 03 0 03 5 0 时间／s C 5 号试样 一第1 阶段l I 一第2 阶段／一I 一第3 阶段一} ／’、、 夕1 一一j 05 01 0 01 5 02 0 0 时间／s d 8 号试样 图1 0 试样水压／累计注入量一时间曲线 F i g ．1 0H y d r a u l i cp r e s s u r e c u m u l a t i v ei n j e c t i o n t i m e t l l ’V e S 平缓扩展期，水压达到峰值2 1 ．5M P a 骤降，之后保 持在5 ～l5M P a 周期性平稳波动；第3 阶段裂缝剧 烈扩展一贯通期，水压稳定在1 0M P a ；第4 阶段为破 坏期，水压卸压至0M P a ，注入量保持1 5 0m I 。 图 1 0 a 。 图1 1 试样压裂体积散点图 F i g ．11 S c a t t e rp h to fs p e c i m e nf r a ’t t l l ’ev o l u m e 4 号试样水压一时间曲线简单，分3 个阶段第l 阶段为裂缝萌生期；第2 阶段为裂缝起裂一急剧扩展 期，曲线呈断崖式跌落特征，水压达到1 7M P a 后迅 速跌落至0M P a 左右；第3 阶段为裂缝贯通一破坏 期，水压在0 ～0 ．5M P a 波动，逐渐稳定在0M P
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