水力压裂作为一种可以快速改造岩体的技术在各个领域受到广泛应用,在煤炭行业中主要用于低渗煤体的增透和卸压,但由于采场应力条件极为复杂,影响了水力压裂过程中的裂缝走向,制造出的人工裂缝网络与预期结果不一致,甚至会将离散型较大的煤体直接崩解,因而压裂效果往往不尽如人意。为了掌握煤体水力裂缝的扩展规律,本文通过室内试验及数值模拟等手段,研究不同应力条件下煤体水力裂缝起裂及扩展规律,并结合数值模拟方法研究煤体自身属性对水力压裂的影响,最后以建立工程模型,分析不同钻孔位置、注入流量下煤层水力压裂效果,主要工作有:(1)室内水力压裂试验研究了不同应力条件下煤体水力裂缝的起裂及扩展特征。试验结果发现煤体所受应力越高,起裂压力越大,煤体越难起裂;同时起裂点从裸孔中段转移至底部,而裂缝的起裂方向与最大水平主应力方向的夹角逐渐减小,最终与最大水平主应力方向近似平行;但当应力过高时煤体将产生纵横交叉、多段横向等复杂的水力裂缝。而当煤体所受侧压力系数增大时,煤体的水力裂缝延伸路径会逐渐平直,弯曲、拐转等现象减少。(2)为了进一步研究应力条件对水力裂缝扩展的影响,采用PFC数值模拟软件模拟煤体的室内水力压裂试验。通过监测裂纹数目及动能演化可知水力裂缝扩展速率存在从快到慢的趋势;而煤体所受应力越高,不仅裂缝走向与最大主应力方向的夹角减小,同时产生的裂缝数量也在减小,此外裂缝扩展时也更加稳定。(3)除了应力,煤体本身属性(颗粒级配、渗透系数、均质度)及施工条件(钻孔位置、流量)也对煤体水力压裂有影响,通过建立对应数值模型,可以发现初始渗透系数对水力压裂的影响较小,而煤体颗粒级配改变煤体结构,级配越大,煤体越松散,水力裂缝的扩展越不稳定,裂缝的扩展方向变得无法预测;而煤体的均质性越差,裂缝的扩展速率越快,随均质度系数增加,水力裂缝数量减少,且均质度系数对水力裂缝扩展方向、裂缝数量等的影响逐渐递减。(4)在实际工程中,承受应力越大的煤体水力裂缝扩展难度越大,在煤壁附近布置压裂钻孔时,可能沿着层裂结构产生多条水力裂缝,甚至直接将煤体崩解,影响顶板稳定性;而随着压裂钻孔与煤壁距离逐渐增加,扩展难度出现由小到大再到小的规律;为提高压裂效果,需要提高压裂液的流量,但过大可能导致裂缝传播至顶板附近,影响到顶板稳定性。