巷道顶板水力裂缝卸压的相场模型及数值模拟研究

李昊擂; 刘怀东; 刘长友; 杨敬轩; 陈振华; 吴锋锋

doi:10.13247/j.cnki.jcumt.20250206

中国矿业大学学报 ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (05) : 971 -983. DOI: 10.13247/j.cnki.jcumt.20250206

巷道顶板水力裂缝卸压的相场模型及数值模拟研究

李昊擂, 刘怀东, 刘长友, 杨敬轩, 陈振华, 吴锋锋

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摘要

水力压裂是巷道围岩卸压的主要方法.针对巷道顶板压裂模拟收敛难度大，裂缝网络与巷道围岩应力演化作用机制尚不明晰问题，基于相场理论，通过在势能方程中引入初始能量项，并结合初始应力平衡技术，实现了巷道顶板水力压裂裂缝扩展与围岩卸压的有效反演.以损伤面积、损伤密度和分形维数为核心指标定量表征了巷道顶板裂缝网络的压裂范围、压裂程度和复杂程度，进而建立了顶板裂缝特征与围岩卸压效果的映射关系.研究结果表明：该模型与试验结果裂缝扩展轨迹具有高度一致性，对于水力压裂计算具有较高准确性.已压裂裂缝通过调控顶板应力场进而控制后续水力裂缝的扩展行为.在多裂缝协同作用下，裂缝尖端高应力削弱且向巷道围岩的传递路径受阻，从而在巷道围岩形成有效卸压区.巷道围岩卸压效果与损伤面积呈负相关，而与损伤密度和分形维数呈正相关.巷道围岩卸压效果随侧压系数从0.8增至1.6呈“先减小后增大”非线性演化规律，并在侧压系数为0.8时卸压效果最佳，在侧压系数为1.2时最差.为保证更好的巷道围岩卸压效果，可适当减小压裂间距并增大钻孔间夹角，以形成高密度和高复杂度的裂缝网络，研究成果可对压裂设计提供一定的工程指导.