基于地质–工程条件约束的可控冲击波煤层致裂行为数值分析

秦 勇，李恒乐,2，张永民，赵有志，赵锦程，邱爱慈

基于地质–工程条件约束的可控冲击波煤层致裂行为数值分析

秦 勇1，李恒乐1,2，张永民3，赵有志3，赵锦程1，邱爱慈3

(1. 中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008；2. 河南工程学院 资源与安全工程学院，河南 郑州 451191；3. 西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049)

可控冲击波(CSW)岩层致裂技术作为岩层改造领域的一项变革性技术，已在煤层改造等方面取得显著应用效果，并在煤炭安全开采领域开展应用探索。然而，受实验及现场监测条件限制，前期对地质–工程因素约束下的CWS岩层致裂基本规律理解不足，制约了对致裂机理的探索及现场作业参数的优化。鉴于此，在阐述CSW煤层改造及其面临的工程科学问题基础上，采用基于连续介质力学的离散元方法(CDEM)开展数值模拟，以进一步揭示地应力、煤岩力学性质、冲击波加载条件约束下的CSW煤层致裂行为及其基本规律。结果显示，CSW加载条件对致裂效果的影响存在最优范围，过度加载会导致近井地带煤体崩解，煤粉产出率增加，造成煤储层伤害；同时，煤体破碎导致波阻抗及冲击波衰减速度增大，限制有效改造半径扩展；地应力增大，破裂半径、破裂度存在临界值，水平主应力差对CSW冲击裂隙形态、扩展方位及缝网连通程度存在显著影响。研究揭示，CSW煤岩致裂效果对力学性质的响应存在选择性：弹性模量与破裂半径、破裂度之间存在拐点临界值；黏聚力增大，煤岩脆性变小，致裂效果变差；抗拉强度似乎对CSW致裂效果没有明显影响。研究成果可为CSW作业煤层优选及参数优化措施提供参考。

可控冲击波；煤层；改造效果；约束条件；数值模拟

低成本清洁高效破岩技术与非常规油气储层改造以及矿井安全生产保障密切相关，可控冲击波(Controllable Shock Wave，缩写为CSW)是该领域近年来发展起来的一项变革性技术。邱爱慈院士团队率先提出了基于脉冲功率技术原理的CSW非常规天然气储层改造的设想[1-3]。通过十余年的不懈探索，发明了CSW科学实验和现场作业仪器装备，在CSW技术原理上形成了一系列认识[4-14]，煤层致裂改造作业工艺研究和现场试验取得显著效果[15-22]，带动了CSW技术在页岩气储层改造方向以及坚硬顶板可控放顶、冲击地压能量预释等方向的积极探索。目前，CSW及其衍生技术已成为国内外化石能源矿产开采破岩领域的一个热点研究方向[23-33]。然而，CSW岩层致裂效果是地质条件与冲击波作业条件综合作用的结果，物理实验难以系统模拟，现场监测条件目前尚不具备，致使对致裂基本规律及关键因素缺乏足够理解。鉴于此，笔者运用CDEM软件，以煤层为特定研究对象，考虑地应力、煤体力学性质及冲击波加载条件，模拟了地质–工程条件综合约束下SCW煤层致裂行为，进而探讨了CSW作业煤层优选及参数优化措施。

1 CSW煤层改造及其工程科学问题

冲击波是一种激波，以不连续峰形式在介质中的传播，特点是波前的跳跃式变化，即产生一个锋面，锋面处介质物理性质(如压强、温度、密度等)发生跳跃式改变，对介质造成破坏和扰动[34]。冲击波以介质运动轨迹为中心的一系列球面波方式向前推进，当波源以超波速的速度向前运动时，相对近源地带运动介质本身的运动充当下一个球面波的波源，从而扰动或激起下一个球面波的产生。在固相、液相以及气相介质中，强烈的冲击作用会形成激波，如在等离子体中也会形成激波。

从波源到影响半径末端，根据介质状态变化时间(H)与介质静态恢复时间(s)之间关系，冲击波煤层传播过程由三带构成(图1)[35]。第一带为冲击波应力带，以幅值(强度)、冲击次数、作用区可控的模式越过井壁，通过冲击波的冲击力直接破裂煤层，在近源地带煤层中形成裂缝，沟通井眼与纵深煤层；第二带为压缩波作用带，波源能量由于在第一带的消耗而有所衰减，在幅值低于煤层抗压强度但高于抗张、抗剪强度的区域衰减为压缩应力波，再以剪切、拉伸方式撕裂煤层，形成裂隙网络系统；第三带为弹性波作用带，冲击波进一步衰减为高强弹性声波(地震波)，以高频正弦波方式在煤层内部不同界面上产生交变剪切力，剥离煤粉，疏通渗流通道，交变震荡作用扰动和削弱了毛细管压力及偶电层吸附滞留效应，同时伴生热效应，从而促进煤层瓦斯解吸，改善流体可动性。

图1 冲击波传播路径及其与煤层改造效果关系[35]

根据上述基本原理，邱爱慈等[1]提出采用CSW来激励非常规天然气储层的设想，以幅值、冲量、作用段、加载次数等可控为特点，在钻孔中以“单点多次，多点连续”方式对煤层进行冲击增渗[16]。置于井眼中装备对饱和水岩层强功率释放能量，将高功率电脉冲转换为电子束能、激光能量、微波能量、热能和等离子体能量，在岩层中生成高压脉冲波，进而以机械能及材料疲劳效应作用于岩层，达到激励和改造储层的目的[2]。为了产生足以改造岩层的强冲击波，冲击波发生技术也在不断地改进和创新，从早期的水中电击穿发展到金属丝电爆炸，目前再次进步到金属丝电爆炸等离子体驱动含能混合物产生冲击波的新技术[3]。目前，CSW技术已从探索性试验转变为一项实用技术，从地面井应用延伸到矿井，从原生结构岩层拓展到构造变形岩层，一项基于新原理的岩层改造技术正在发展。

与CSW作业装备、技术发展及现场试验相比，相关基础研究相对滞后，制约了对CSW致裂机理的深入理解以及现场作业参数和工艺的优化。煤层属于“有机”地质体，受力变形破裂之前具有收缩膨胀性质[36]，导致与砂岩等“无机”岩层相比煤层对应力的响应更为敏感[37]。为此，CSW作用下波－流－煤耦合作用是面临的第一个科学问题。冲击波造成的岩石破碎度并非离波源越近就越大，破碎度大的地带出现在不同位置或距离[38]。由此，冲击波在煤层中非线性传播与煤体致裂全过程及其动力学机理，构成第二个科学问题。影响煤层CSW改造效果的地质条件包括煤层本身属性和地层环境两个方面，如果煤层属性相似，则不同CSW加载方式、参数组合等工程措施会产生不同改造效果。鉴于此，地质–工程条件耦合作用对煤层致裂行为影响的基本规律，是该技术发展面临的第三个科学问题。

上述第三个科学问题正是本文关注的主要问题，可从物理模拟、数值模拟和现场监测3个方面获取信息。然而，物理模拟无法兼顾各种地质–工程条件，现场监测成本高昂及作业条件苛刻。数值模拟不受实验及现场条件限制，可以用来分析物理模拟实验难以完成的内容，尤其是地质–工程条件综合约束下可控冲击波岩层致裂的过程、影响因素和最终效果。鉴于此，笔者以前期物理模拟实验[4-5,7]为基础，考虑地应力、煤体力学性质及冲击波加载条件3个方面，开展地质–工程条件综合约束下SCW煤层致裂行为的数值模拟与数值分析。

2 CSW煤层致裂数值模拟软件及方法

建立二维煤层气井数值模型，利用连续介质力学的离散元方法(Continuum-based Discrete Element Method，简称CDEM)软件进行模拟，分析地质条件和工程条件对致裂效果的影响，明确相关因素的相对重要性。

2.1 数值模拟软件及其特点

CDEM软件适用于模拟地质体非连续变形及渐进破坏[39]。该软件中计算模型包括块体单元和接触边界(图2)：块体都被看作是弹性体，块体内部根据力边界条件用有限元(FEM)方法求取各点位移；接触边界引入法向和切向弹簧，通过弹簧断裂实现块体破裂滑移，采用离散元(DEM)方法计算，块体间非连续变形通过弹簧断裂予以实现[40-41]。

图2 CDEM中的块体和界面[41]

CDEM软件在模拟材料弹塑性变形的同时，可模拟展示材料中裂缝的萌生、扩展及贯通过程[41-42]。同时，软件采用结构面软化模型，将结构面弹簧的黏聚力、抗拉强度与塑性应变联系起来，避免传统脆断模型引起的模拟结果失真[41]。

CDEM软件在模拟地质体连续渐进破坏方面具有某些优势：可以模拟地质体由连续体到非连续体的渐进破坏过程，并用显式裂纹实现过程描述；含有适用于地质体损伤破裂过程分析的应变强度分布准则，可获得模拟体的平均拉伸及剪切破损度；采用单元内部切割细化模型，实现地质体裂纹萌生、扩展过程模拟，弱化了裂纹扩展的网格依赖问题；有半弹簧–半棱耦合、触棱两类高效接触检索及接触力计算模型，可用于三维凸多面体接触碰撞过程的快速分析；块体破裂模型可以使单元自身发生破裂，且存在多个潜在破裂方向，降低了地质体破裂过程分析的网格依赖性。

在CSW作用下，煤层中新生裂隙的萌生扩展是一个累计叠加的过程。CDEM软件通过单点重复施加半周期正弦载荷方式代替重复冲击载荷，适合进行CSW煤层致裂行为数值分析。

2.2 数值模拟条件与参数

2.2.1 计算模型及参数选取

1) 基本假设

将煤岩体视为均质各向同性的线弹性介质，重力为零，暂不考虑流体压力、温度与地应力的耦合效应对致裂效果的影响。

CSW作用下煤岩体的破裂满足Mohr-Coulomb准则和最大拉应力准则，破裂主要发生在接触界面上，块体单元本身只发生弹性变形。

煤岩体破裂前按连续介质计算，破裂后按非连续介质计算。

2) 计算模型

CSW现场致裂条件多样，煤矿井下采用裸眼致裂方式[16-18,21]；地面井多是对传统方法效果不理想井进行作业，相当于套管+射孔+水力压裂条件[2-3,14-15,22]。为此，利用ANSYS软件建立边长100 m的二维数值模型(图3)，在模型中心设置套管和固井水泥环(图4)。依据DZ/T 0250—2010《煤层气钻井作业规范》和NB/T 10003—2014《煤层气钻井工程质量验收评级标准》，设定生产套管直径139.7 mm，壁厚7.72 mm；按煤层段井径扩大率优良级别下限值25%计算，固井水泥环厚度设为65.1 mm。

图3 数值计算模型

图4 数值计算模型网格剖分

3) 岩石物性参数

模拟需要的岩石物性参数及其取值见表1。相关参数取值来自两个方面，一是本文作者前期完成的煤岩力学实验[5]，二是前人关于固井水泥环、套管力学参数的测试结果[43-46]。

2.2.2 初始条件与边值条件

1) 静态初始及边值条件

位移边界以坐标方式在模型4个边界设置、两个方向上的位移量，即在模型四周施加位移约束。

静力边界在方向上施加最大主应力H，在方向上施加最小主应力h(图3)。通过改变最大、最小主应力值以及两者相对大小，模拟分析地应力场对CSW煤层致裂效果的影响。

2) 动态边界条件

动态边界条件设置需解决两个问题：一是反射边界，为了消除反射波对模拟结果的影响，计算过程中在模型四周施加无反射边界条件；二是CSW加载方式，现有的一次性爆炸冲击波加载模型无法直接利用，需要寻求一个具有反复加载且加载间隔可控的加载模型。

煤层非均质性和各向异性强，其力学性质十分复杂，利用恒定的力学参数势必造成模拟结果的局限性。为了尽可能真实反映煤岩力学性质，模拟参数设计以表1数据为基础，密度、泊松比、弹性模量采用平均值，黏聚力、抗拉强度、内摩擦角、剪胀角等采用概率均匀分布模式，通过各参数的上下限进行控制，但其平均值与表1中数据保持一致。也就是说，数值模拟过程中各块体单元具有服从均匀分布的不同强度，但其均质性保持不变。

如图1所示的基本原理，冲击波呈正弦波形式传播，CSW加载间隔远大于冲击波在岩层中传播的衰减消失时间。一个无限大岩体当受到冲击波作用时，其破裂程度主要取决于峰值压力和正压作用时间。基于此，利用半正弦应力波来代替爆炸冲击波中对岩体破裂起主导作用的应力波，同时叠加反复加载以及峰值压力、脉宽(正压作用时间)可调等功能。需要指出的是，尽管冲击波脉宽与正压作用时间并非一个严格对等的概念，但采用半正弦波脉宽来代替正压作用时间仍然具有一定合理性。

表1 数值模拟材料力学参数

注：0.5~20.0/5.0表示最小值~最大值/平均值，其他数据同。

2.3 煤岩体破裂程度表征方法

采用破裂半径和破裂度来描述CSW作用下煤岩体的破裂程度。破裂度是用来度量地质体破裂程度的物理量，定义为模型中统计区域内已破裂的界面数与统计区域内总界面数的比值[40-41]：

b＝100×b/(1)

式中：b为破裂度；b为统计区域内破裂的界面数；为统计区域内的总界面数。其中，b的分布区间为[0,100]，b=0表示无破裂，b=100表示完全破裂。

2.4 数值模拟交叉实验方案

根据上述讨论，考虑地质、工程两个方面，制定了参数交叉约束的3套8个数值模拟方案(表2)。

地质条件考虑地应力和煤岩力学性质两类参数，工程条件涉及井筒设计(图4b)和CSW加载两类参数。在力学性质方面：抗拉强度、黏聚力、弹性模量3个参数在加载条件和地应力模拟方案中恒定，仅在煤岩力学性质中为变量；泊松比、密度、内摩擦角、剪胀角4个参数设为恒定值，在各个模拟方案中保持不变。在工程条件方面：固井水泥环和套管参数在模拟过程中保持不变，即工程参数变量只考虑CSW加载条件，包括峰值压力、冲击次数和脉宽3个具体参数。

所有方案均采用小能量(约相当于5 g含能弹的能量)多加载次数方式进行模拟，以便放大煤层致裂过程，观测致裂演化的细节。

3 地质–工程条件与CSW煤层致裂

所有模拟方案对套管及水泥环均采用同样设计，同时不同模拟条件下套管及水泥环对冲击波传导的影响目前无法剥离。为此，地质–工程条件与CSW煤层致裂行为的关系按表2方案模拟结果展开讨论。

表2 CSW煤层致裂数值模拟参数及交叉模拟方案

3.1 CSW加载条件与煤层裂隙扩展规律

设定煤岩力学参数保持不变，地应力场各向同性，改变加载参数，分别模拟脉宽、加载次数和峰值压力对CSW煤层致裂行为的影响(表2)。

第一，脉宽对煤层致裂半径的影响。恒定加载次数、峰值压力和煤岩力学性质，无地应力约束；目前现场作业脉宽一般大于50 μs，为放大致裂过程以观测致裂演化细节，模拟脉宽设为100、200、400、800、1 200、1 600 μs六级(表2)。结果显示，脉宽增大，CSW煤层裂隙以等半径方式(圆形)向外扩展，裂缝之间有所交联并构成裂缝网络。破裂半径呈非线性增大，以200 μs为界呈现为破裂半径快速增大与缓慢增大2个演化阶段(图5)。在模拟脉宽范围内，脉宽200 μs时破裂半径增大率占最终增大率的57%，脉宽1 200 μs处破裂半径增大率达到最终增大率的95%。为此，CSW现场作业参数优化在不考虑校正系数前提下，脉宽优化范围介于200~1 200 μs。

图5 CSW脉宽与煤层破裂半径之间关系

第二，加载次数对煤层致裂效果的影响。恒定峰值压力和煤岩力学性质，地应力各向同性(H＝h＝ 5 MPa)，加载次数设为1、5、10、25、50、75和100次7级(表2)。加载次数增加，破裂程度以等半径方式非线性增大，裂缝之间相互交联程度增强(图6)。分别以25、50次为界，破裂半径扩展呈现快速增长、缓慢增长、趋于稳定3个阶段，两个分界点处破裂半径增长率分别占最终增长率的86%和98%(图7a)。同时，破裂度分别以10、50次为界，呈现3个相似的扩展阶段，分界点破裂度增长率分别占最终增长率的67%和96%(图7b)。由此，给出了数值模拟条件下的加载次数优化范围，上限和下限阈值与物理模拟实验结果[5]基本一致。需要指出的是，本文模拟获得的致裂半径相对较小，原因在于模拟采用小当量(5 g含能弹)能量，而现场作业采用25 g含能弹激发冲击波，煤层有效致裂半径可达40 m[17,21-22]。

图6 CSW加载次数对煤层裂隙扩展行为的影响

第三，峰值压力对煤层致裂效果的影响。恒定煤岩力学性质和脉宽，无地应力约束，加载次数设定为1次和10次两级。目前现场作业峰值压力一般在120 MPa左右，故模拟峰值压力设为九级，即5、10、25、50、75、100、125、150和200 MPa(表2)。无地应力约束相当于H＝h＝0 MPa。在此条件下，煤层破裂行为随峰值压力增大呈现出两个演化规律，一是破裂半径随之呈非线性增大，二为以井眼为中心裂缝等半径向外辐射扩展且相互之间几乎没有交联(图8)。以加载10次为例，破裂半径和破裂度均以峰值压力50、100 MPa为界，经历了3个发展阶段，50 MPa时两个参数增长率均占对应最终增长率的65%；100 MPa时两个参数增长率分别占对应最终增长率的86%和82%(图9)。换言之，模拟条件下的峰值压力50~100 MPa，是可考虑的峰值压力优化范围。

图7 CSW加载次数与煤层破裂效果之间关系

图8 CSW峰值压力对煤层裂隙扩展行为的影响

图9 CSW峰值压力与煤层破裂效果之间关系

3.2 地应力条件与CSW煤层致裂行为

固定煤岩力学参数以及脉宽和加载次数，改变或恒定峰值压力，改变应力状态，模拟地应力变化与CSW煤层裂隙扩展行为之间关系(表2)。

首先，考察各向同性地应力场情况。即：H=h，按1、2、5、10、15、20、25和30 MPa八级设置；峰值压力设为50、100、200 MPa三级。无论地应力大小如何，破裂半径均以等半径形式变化，裂缝间存在程度不一的相互交联。若地应力不变，破裂半径和破裂度随峰值压力升高而增大；地应力增大，破裂半径和破裂度均随之呈幂指数形式减小；地应力增大到一定程度，破裂度减小速率显著变缓；地应力一旦大于10 MPa，不同峰值压力破裂半径之差随地应力增大而减小，破裂度之差基本保持稳定(图10)。因此，煤层致裂行为对峰值压力的响应在低地应力情况下更为敏感，高地应力状态则需加大CSW能量。

其次，考察各向异性地应力场情况。恒定峰值压力和加载次数；将H固定为10 MPa，h设为4、6和8 MPa三级，相应的最大水平主应力差Δ依次为2、4和6 MPa(表2)。结果显示，各向异性地应力场对煤层裂缝扩展行为影响的最显著特征，表现为对裂隙优势发育方向的控制(图11)。Δ越大，越容易产生平行于最大水平主应力方向的长裂缝，裂缝网络化程度随之增高；水平主应力差越小，越容易产生放射状裂缝。换言之，地应力场各向异性越大，煤层裂缝扩展方向性越强。对于这种情况，可发挥CSW加载方位可控的优势，考虑单点多方位作业，促进井筒四周冲击裂缝均衡发育。

图10 地应力与煤层破裂效果之间关系

3.3 煤岩力学性质与CSW煤层致裂行为

考察上述数值模拟结果，结合物理模拟相关认识[4-5]，CSW煤层致裂行为在峰值压力100 MPa、加载25次、地应力10 MPa等处具有拐点效应。为此，将这些参数设为固定值。在此基础上，分别改变弹性模量(8级)、抗张强度(6级)和黏聚力(6级)，其他力学参数不变(表2)。

模拟结果揭示，弹性模量对CSW煤层致裂效果具有重要影响，在5 GPa处出现一个改造效果的峰值，无论破裂半径还是破裂度均是如此(图12)。弹性模量小于5 GPa时，煤层破裂半径和破裂度随弹性模量的增高而增大，大于5 GPa则反之。这一现象反映了煤岩脆性与强度之间关系及其对CSW作用的响应。弹性模量较小或脆性较大时，CSW加载下煤体较易破碎，致使冲击波衰减快，破裂半径小；弹性模量增加到一定程度，煤岩脆性达到最大，裂隙半径扩展到最大值，出现最佳致裂效果；弹性模量继续增大，煤岩强度过高，致裂难度增大，致裂效果降低。或者说，弹性模量对CSW致裂效果的影响存在一个阈值，低于此阈值时，致裂效果随弹性模量的增大而增强，反之则变弱。

图11 各向异性地应力场对煤层裂隙扩展行为的影响

进一步考察发现，煤层致裂效果随黏聚力的增高而快速减弱，但随抗张强度增大而仅有微弱增大趋势，未见实质性影响(图13)。造成前一现象的原因，可能在于煤岩黏聚力越大，韧性越强，脆性则越弱，煤层致裂效果越差。后一现象的原因可能与冲击波呈球面波形式向前推进的传播方式有关，值得今后进一步探讨。然而，目前认识至少揭示CSW煤层改造应关注两个问题：一是脆性越大的煤层可改造性越强，这与水力压裂等改造措施所遵循的原则一致；二是常规改造措施中必须考虑的某些岩石力学参数，如抗张强度，对CSW选层可能没有那么重要。

图13 抗拉强度和黏聚力与煤层破裂效果之间关系

4 煤层优选及参数优化的思考

分析上述结果，就数值模拟条件范围内CSW作业煤层优选及加载参数优化提出三方面建议。

第一，CSW加载条件对煤层致裂效果的影响存在最优范围。若冲击次数过多，近井地带煤体崩解，波阻抗增大，冲击波衰减速度增大。也就是说，过度加载作业可能导致煤体破碎，煤粉产出率增加，造成煤层伤害；把握CSW峰值压力阈值范围，控制加载能量，是CSW煤层致裂效果“可控”的重要举措。脉宽优化范围介于200~1 200 μs；最佳峰值压力为50~100 MPa，考虑地层中某些不可模拟的冲击能量衰减因素，峰值压力可考虑一个适当的放大系数；加载次数优化范围为25~50次，加大冲击能量则可适当下调单点加载次数，如20 g含能弹条件下最佳加载次数在6~8次[5]。此外，主应力大于一定阈值之后，如15 MPa，在保证足够冲击能量基础上可降低对脉冲压力重要性的考虑。

地应力对CSW煤层致裂效果存在正负两方面影响。一是具有明显促进作用，较强各向异性地应力场有利于裂缝之间相互交联而形成裂缝网络，水平主应力差小的地应力场有利于形成环井眼周边扩展的缝网体系。二是具有强烈抑制效应，地应力场各向异性过低会造成裂缝之间连通性变差，过强则导致裂缝扩展方向性过强而不利于井眼周边裂缝均衡发育。为此，高地应力情况下，CSW煤层致裂需要加载大的冲击能量；对于较强各向异性地应力场，建议至少在单点两个相互垂直方位上实施CSW作业，促进井筒四周煤层改造裂隙均衡发育。

CSW煤岩致裂效果对力学性质响应存在选择性。地层条件下存在煤层致裂的最佳弹性模量范围，弹性模量与破裂半径、破裂度之间关系的拐点临界值，可作为优选煤岩力学性质的阈值上限，CSW改造对象优选应考虑阈值之下适当范围的煤层。煤层致裂效果随黏聚力增大而降低，过大的黏聚力可能成为影响CSW改造效果的一个重要因素。抗拉强度似乎对CSW致裂效果没有实质性影响，其权重在CSW作业选层和参数优化中可适当降低。

5 结论

a. CSW加载条件对煤层致裂效果的影响存在最优范围。过度加载作业可能造成煤层伤害，把握CSW峰值压力阈值范围是保证煤层致裂效果“可控”的重要措施。在模拟条件范围内，脉宽优化范围介于200~1 200 μs，最佳峰值压力为50~100 MPa，加载次数优化范围为25~50次，加大冲击能量则可适当下调单点加载次数。地应力大于一定阈值之后，在保证足够冲击能量前提下可降低对脉冲压力重要性的考虑。

b. 地应力对CSW煤层致裂效果存在正负两方面影响。一方面具有明显促进作用，较强各向异性地应力场可促进缝网扩展发育，水平主应力差小则有利于井眼周边缝网体系的均衡扩展。另一方面具有强烈抑制效应，地应力场各向异性过低会造成裂缝连通性变差，过强则导致裂缝定向性扩展。为此，CSW煤层致裂在高地应力情况下需要加大冲击能量，在较强各向异性地应力场条件下可对单点实施多方位作业，以促进改造裂隙均衡发育。

c. CSW煤岩致裂效果对力学性质响应存在选择性。煤层致裂存在一个最佳弹性模量范围，弹性模量与破裂半径、破裂度之间关系的拐点可作为优选煤岩力学性质的阈值上限。过大的煤层黏聚力可能显著影响CSW改造效果，抗拉强度权重在CSW作业选层和参数优化中可适当降低。

d.需要说明的是，本文相关讨论局限于数值模拟实验结果，下一步将在CSW工程试验中配套致裂效果现场监测手段，根据监测结果验证数值模拟认识，完善数值模拟模型和参数，力求使数值模拟成为一种可用于现场作业设计的辅助手段。

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Numerical analysis on CSW fracturing behavior of coal seam under constraint of geological and engineering conditions

QIN Yong1, LI Hengle1,2, ZHANG Yongmin3, ZHAO Youzhi3, ZHAO Jincheng1, QIU Aici3

(1. Key Laboratory of CBM Resources and Reservoiring Process, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 2. Department of Resources and Safety Engineering, Henan Engineering College, Zhengzhou 451191, China; 3. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

As a revolutionary technology for rock stratum reformation, the controllable shock wave(CSW) fracturing technology has achieved remarkable effect in coal seam reconstruction, and application exploration in the field of coal safety mining has been carried out. However, the previous understanding of the basic CWS fracturing rules under the constraints of geological engineering factors is insufficient due to the limitation of experimental and field monitoring conditions, which restricts the exploration of the fracturing mechanism and the optimization of the field operation parameters. In view of this, based on the description of CSW coal seam reformation and its engineering scientific problems, the CDEM method is used to carry out numerical simulation in order to further reveal the behavior and basic rules of CSW coal seam fracturing under the constraints of geo-stress, mechanical properties of coal and rock, and shock wave loading conditions. The results show that the influence of CSW loading conditions on the fracturing effect has an optimal range, and excessive loading will lead to coal disintegration near the wellbore, which increases the yield of pulverized coal and cause coal reservoir damage. At the same time, the wave impedance and shock wave attenuation increase due to coal fragmentation, which limits the expansion of fracturing radius. There are critical values of fracturing radius and fracturing degree with the increase of geo-stress and the horizontal principal stress difference significant effects on the morphology, expansion direction and connectivity of CSW-induced fractures. It is revealed that the fracturing effect has a selective response to the mechanical properties of coal: there is a critical value of inflection point in the plots of the elastic modulus to fracturing radius and fracturing degree; with the increase of cohesion, the brittleness of coal becomes smaller, and the fracturing effect becomes worse; the tensile strength seems to have no obvious effect on the CSW fracturing effect. Based on the above, there will be good references for the coal seam optimization and parameter optimization measures of CSW operation.

controllable shock wave; coal seam; reformation effect; constraint conditions; numerical simulation

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P618.11

A

1001-1986(2021)01-0108-11

2020-10-21；

2020-12-10

国家自然科学基金重点项目(U13612031)；国家科技重大专项课题(2016ZX05066-01)

秦勇，1957年生，男，重庆人，博士，教授，博士生导师，从事煤系矿产资源与开发地质研究工作. E-mail：yongqin@cumt.edu.cn

秦勇，李恒乐，张永民，等. 基于地质–工程条件约束的可控冲击波煤层致裂行为数值分析[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(1)：108–118. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.011

QIN Yong，LI Hengle，ZHANG Yongmin，et al. Numerical analysis on CSW fracturing behavior of coal seam under constraint of geological and engineering conditions[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：108–118. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.011

(责任编辑 范章群)