自然科学基金研究进展及成果介绍
低渗透性砂砾岩水力压裂裂纹三维扩展行为的研究（编号：51374213，负责人：鞠杨 教授）
煤炭是我国的主体能源，瓦斯（煤层气）作为煤的伴生产物，不仅是煤矿重大灾害源和大气污染源，更是一种宝贵的不可再生能源。我国瓦斯总量巨大，与天然气总量相当，在国际油价居高不下、减排压力空前增加的环境下，瓦斯资源扮演着越来越重要的角色。与此同时，由于煤矿开采深度持续增加，煤层瓦斯含量和压力不断加大，煤与瓦斯突出日趋严重，造成了巨大的人员与财产损失，严重损害了我国的能源安全与国家形象，对社会稳定产生了负面影响。有效地实施煤与瓦斯共采已成提升我国深部煤矿安全、高效、洁净生产水平、优化能源结构、减少温室气体排放、保障我国经济可持续发展对能源的需求的重要途径。
煤与瓦斯共采的核心问题在于通过卸压或人工措施使煤岩体破裂，煤层中的瓦斯得以充分释放，并在一定范围内利用机械方式抽取富集区的瓦斯，然后开采煤炭，实现煤与瓦斯共采。然而，与美国、澳大利亚、加拿大等瓦斯抽采技术和产业化水平居世界前列的国家相比，我国深部煤层赋存条件复杂多变，高地应力、高渗透压和高地温现象十分普遍。原始煤层透气性低，瓦斯赋存呈现微孔隙、低渗透、高吸附等特征，煤层渗透率平均只有1.1974×10-18～1.1596×10-14 m2。美国煤层气地面开发选区通常要求煤层的渗透率不低于0.1987×10-15m2，而我国煤层渗透率通常都小于0.1987×10-15m2。国外地面瓦斯抽采技术不能适应我国煤层高应力、低渗透、高瓦斯含量和强吸附的特点。因此，如何有效地破碎煤岩体形成有利于瓦斯解吸流动的裂隙网络、建立裂隙网络的定量评价方法、揭示瓦斯解吸流动规律、构建破碎煤岩体瓦斯流动与渗流控制理论成为解决低渗透煤层煤与瓦斯共采的一个核心和关键科学问题。
水力压裂（或水压致裂）是目前深埋低渗透高瓦斯煤层强化抽采的关键技术之一，该技术主要通过高压泵向煤层注入高压水或压裂液，使煤岩体产生裂隙，并在煤层中扩展，增加煤层的透气性，提高煤层瓦斯的抽采率。水力压裂对煤岩体的增透效果主要取决于是否能够沿最大主应力方向形成贯通裂纹，并在其他方向尽可能多地产生裂纹，进而形成相互连通的裂隙网络，这与煤岩体的初始地应力场、采动应力场、岩体结构、岩性、水压大小和排量等因素密切相关。深部煤炭开采面临高地应力、高非均质性和低渗透性等复杂条件，实施水力压裂抽采更加困难。同时，由于深部煤层的埋深大、高非均质性且地应力复杂，水力压裂的现场探测难度大、技术复杂，人们对水力压裂裂纹的扩展形态和裂隙网络分布规律认识不足，难以准确、客观地评判煤层水力压裂的实际效果，现场实施水压致裂技术存在较大盲目性。因此，急需深入地开展深部地应力和水压力作用下低渗透非均质煤岩体水力压裂裂纹的形成机制、扩展模式、展布特征和影响因素的研究，建立裂纹扩展与裂隙网络的定量表征方法与分析模型，为认知和表征深埋低渗透煤层的水力压裂效果、有效地实施水力压裂技术、提高瓦斯的抽采效率、实现低渗透高瓦斯煤层的煤瓦斯共采技术奠定理论基础。然而，目前这方面研究很不充分，对低渗透非均质岩体的水力压裂破裂机理、压裂裂纹的空间扩展模式、展布特征和影响因素等认识不清，水力压裂技术应用尚处在经验的层面，缺乏科学性、系统性的理论指导。
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