第1章 绪论 1
1.1 非煤岩石强度和变形特征的实验研究 2
1.1.1 岩石的抗拉强度实验 2
1.1.2 岩石单轴压缩实验 3
1.1.3 岩石三轴压缩实验 4
1.2 煤岩强度及变形特征的实验研究 5
1.2.1 煤岩的抗拉强度试验 5
1.2.2 煤岩单轴压缩实验研究 5
1.2.3 煤岩三轴压缩实验研究 7
1.3 煤岩压缩破裂声发射实验研究现状及评述 8
1.3.1 研究历史 8
1.3.2 声发射技术的研究成果及应用 9
1.3.3 声发射信号提取和分析识别研究 10
第2章 区域地质特征 13
2.1 基本地质特征 13
2.2 地层概述 14
2.3 含煤地层 15
2.3.1 上石炭统太原组 15
2.3.2 下二叠统山西组 17
2.4 构造特征 17
2.5 石炭-二叠系聚煤特征 20
2.5.1 含煤岩系沉积环境概述 20
2.5.2 成煤环境与聚煤模式 22
2.5.3 古地理特征与聚煤作用 22
2.6 岩浆活动 24
2.6.1 各期岩浆岩基本特征 24
2.6.2 区域岩浆热活动对煤层气生成的影响 25
第3章 煤层的割理特征及煤岩的抗拉强度 27
3.1 割理类型及特征 28
3.1.1 割理描述要素 28
3.1.2 割理的矿物充填 29
3.1.3 割理分布 30
3.2 影响割理发育程度的因素 30
3.2.1 影响割理发育程度的煤储层因素 30
3.2.2 割理与煤级的关系 31
3.3 割理对煤层渗透率的影响 32
3.3.1 割理平面组合类型划分 32
3.3.2 煤层割理系统的发育程度是影响渗透性的内在因素 33
3.3.3 利用割理描述要素来评价储层渗透性 33
3.3.4 沁水盆地南部寺河矿3号煤层的割理特征 34
3.4 晋城煤的抗拉强度特征 36
3.4.1 煤岩抗拉强度测试 37
3.4.2 测试结果综合分析 39
第4章 饱和含水煤岩的单轴抗压强度特征 43
4.1 试验方法说明 43
4.1.1 试验要求与说明 43
4.1.2 计算公式 44
4.2 试验结果与分析 45
4.2.1 煤层单轴压缩破坏特征 45
4.2.2 加载轴线方向对煤块的抗压强度σc和弹性模量有显著的影响 46
4.3 煤层单轴强度和变形特征 47
4.3.1 煤层单轴强度特征 47
4.3.2 煤岩变形特征 50
4.4 煤样的全应力-应变曲线类型和变形机理 52
4.4.1 煤岩单轴压缩全应力-应变曲线类型 52
4.4.2 煤岩单轴压缩条件下的变形破坏机制 54
4.4.3 煤岩变形破坏过程中的能量积聚与耗散规律 56
第5章 饱和含水煤岩的三轴压缩强度及变形特征的试验研究 58
5.1 试验方法及煤样制备 58
5.1.1 试验要求与说明 58
5.1.2 计算公式 59
5.1.3 试验结果 60
5.2 常规三轴压缩条件下煤岩的变形特征 61
5.2.1 煤样峰值应变与围压的关系 61
5.2.2 煤样弹性模量与围压的关系 63
5.3 常规三轴压缩条件下煤岩的强度特征 66
5.4 煤的黏聚力和内摩擦角 69
第6章 饱和含水煤岩的声发射特征 71
6.1 单轴压缩条件下煤岩破坏过程的声发射试验 72
6.2 煤岩单轴压缩条件下的声发射特征 73
6.2.1 煤样单轴压缩情况下的应力-应变曲线特征 73
6.2.2 煤样声发射应变-振铃计数率曲线的类型特征 74
6.2.3 煤样在不同方向上声发射特征的差异 77
6.2.4 振铃计数率和能量计数率的关系 80
第7章 水力压裂有限元数值模拟 81
7.1 有限元数值模拟技术 81
7.1.1 有限元方法概述 81
7.1.2 ANSYS功能及特点 82
7.2 水力压裂数值模拟基础 84
7.2.1 计算模型 84
7.2.2 破裂准则 85
7.2.3 地应力 85
7.2.4 破裂压力计算方法 88
7.3 模型选择对模拟结果的影响 89
7.3.1 模型尺寸对模拟结果的影响 89
7.3.2 网格划分对模拟结果的影响 90
7.3.3 裂隙宽度对水力压裂模拟结果的影响 91
第8章 有限元数值模拟的破裂压力计算 92
8.1 煤岩中无裂缝时的破裂压力 92
8.1.1 计算模型 92
8.1.2 破裂压力 93
8.1.3 地应力对破裂压力的影响 99
8.2 先存裂缝对压裂的影响 101
8.2.1 计算模型 103
8.2.2 破裂压力 104
8.2.3 含裂缝时破裂压力与不含裂缝时破裂压力的比较 109
8.2.4 压裂裂缝启裂方位 110
8.3 煤岩力学性质的不均匀性对破裂压力的影响 111
8.3.1 计算模型 111
8.3.2 计算结果 111
8.3.3 煤岩力学性质对最大拉应力位置的影响 114
8.3.4 材料的各向异性对破裂压力的影响 114
8.3.5 材料各向异性和各向同性时破裂压力的对比 119
参考文献 120
单位和符号 127
附表1 不同工作压力条件下井壁所产生的拉应力 129
附表2 煤岩裂隙方向与主地应力方向夹角不同时井中压力在井壁上产生的拉应力 132
附表3 煤岩各向异性、无裂隙时最大力学参数与最大地应力在不同夹角时井中压力在井壁上产生的拉应力 176