⚡ electrical engineering

Numerical study on roadway stress control of surrounding rock through hydraulic fracturing-induced cracks in gob-side roof based on phase-field theory

本研究采用相场模型证明，优化水力压裂参数以最大化裂隙网络连通性，对于有效控制工作面侧向采空区巷道应力并缓解应力集中至关重要。

原作者： Xin Yu, Huaidong Liu, Changyou Liu, Fengfeng Wu, Yiqi Chen, Zhenhua Chen, Haolie Li, Shibao Liu, Hanrui Zhang

发布于 2026-08-18

📖 1 分钟阅读☕ 轻松阅读

原作者： Xin Yu, Huaidong Liu, Changyou Liu, Fengfeng Wu, Yiqi Chen, Zhenhua Chen, Haolie Li, Shibao Liu, Hanrui Zhang

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在远离地表、煤炭被开采以为城市提供动力的深处，隧道周围的岩石面临着持续的、压碎性的挤压。随着矿工移除一层煤炭，上方山脉的重量发生转移，将巨大的压力集中到留在隧道顶部的狭窄岩层上。这种压力导致岩石发生变形、开裂，有时甚至坍塌，使得隧道变得危险且难以维护。为了保持这些通道畅通，工程师长期以来一直使用一种称为水力压裂的技术。这涉及向岩石中注入流体以产生裂缝，这些裂缝就像压力阀一样，让岩石得以放松，并将应力重新分配到远离隧道的地方。然而，准确预测这些裂缝将如何生长以及能缓解多少压力是非常困难的，尤其是在矿井这种复杂且不断变化的环境中。

来自中国矿业大学的一个研究小组开发了一种能够高精度模拟这一过程的新方法。他们不再通过猜测裂缝可能形成的位置，而是构建了一个复杂的计算机模型，能够实时、逐步地观察岩石是如何破碎的。他们的工作聚焦于一个特定且具有挑战性的场景：“工作面侧”巷道，即紧邻已开采区域的隧道。在这个区域，岩石承受着一种独特且剧烈的混合力量。研究人员使用了名为相场理论（phase-field theory）的方法，该方法不将岩石视为突然断裂的固体块，而是将其视为一种逐渐弱化并破碎的材料，从而使计算机能够追踪每一条微小裂缝的诞生与生长，而无需预先知道断裂的确切位置。

为了测试他们的模型，该团队模拟了真实煤矿中15108工作面的条件，那里的岩层埋深约为400米。他们模拟了一个场景：隧道上方的岩层厚实且坚硬，容易形成一个悬挂在空隙上方并向下挤压隧道的重型楔形结构。研究人员编写程序，使模型模拟一个分阶段进行的水力压裂过程。这包括钻一系列孔并在三个不同阶段沿隧道向后移动注入水。其目标是在一侧切开悬挂的岩石以使其安全落下，同时在另一侧制造裂纹网络，以减轻对隧道壁的压力。

模拟结果显示，裂缝的行为是地球自然压力与水创造的新裂缝之间的一场微妙舞蹈。当周围岩石的压力适中时，裂缝倾向于水平扩散，相互连接形成一个宽阔且互连的网络。这个网络成功地将沉重的载荷转移 away 远离隧道，使岩壁的应力降低了近20%。然而，随着研究人员将模拟压力提高到极端水平，裂缝的行为发生了变化。它们不再向外扩散，而是开始垂直向上和向下生长。这种垂直生长阻止了裂缝之间的相互连接，留下了高压仍可能积聚的间隙。在这些高压条件下，应力释放的效果变得差得多，岩壁感受到的压力减少微乎其微。

该研究还引入了一种衡量裂缝网络质量的新方法。研究人员发现，拥有大量的裂缝或非常复杂的纠缠模式并不一定意味着更好的结果。事实上，最重要的因素仅仅是裂缝之间连接得有多好。如果裂缝形成了一条连续的路径，压力就可以轻松地流走。如果它们是孤立的，或者被周围岩石的剧烈应力所阻挡，压力释放就会失败。团队发现，当在适度应力条件下形成一个连接良好的网络时，效果最好，而不是在极端应力下形成混乱的局面。

通过精确绘制这些裂缝如何生长及相互作用的图谱，研究人员为设计这些安全措施的工程师提供了一份清晰的指南。他们表明，水力压裂的成功在很大程度上取决于矿井的具体应力条件。如果压力过高，裂缝将无法妥善连接，这项技术将难以保护隧道。研究结果表明，工程师必须仔细调整钻孔角度和注水时机，以鼓励形成连接的裂缝，确保岩石能够安全地释放积聚的能量。这项工作提供了一种更可靠的预测地面行为的方法，有助于使地下开采更加安全和稳定。

技术摘要：基于采空区侧边巷道水力压裂的道路应力控制数值研究

问题陈述
由于相邻工作面产生的侧向顶板载荷以及采动扰动，采空区侧边巷道长期处于高应力环境下，面临严重的变形和支护困难。虽然水力压裂（HF）已被公认为一种有效的应力释放技术，但裂隙网络演化与周围岩体应力释放之间的耦合机制仍不明确，特别是在采空区侧边巷道这种复杂、非均匀且不对称的应力条件下。现有的数值方法通常依赖于预定义的裂隙几何形状或弱化区域，这限制了其准确捕捉水力裂隙动态扩展行为以及在复杂环境下应力释放机制的能力。

研究方法
本研究开发了一种相场数值模型，用于模拟采空区侧边巷道的分段顶板水力压裂。该方法集成了以下组成部分：

相场框架： 建立了一个耦合孔隙弹性模型，其中裂隙界面通过连续的相场变量 ( $\phi$ ) 进行隐式表示。这种方法避免了显式追踪裂纹，从而能够在不依赖网格的情况下实现裂纹的萌生、扩展、分支和合并。该模型考虑了岩石变形、裂隙损伤和流体流动。
应力环境实现： 为了模拟采空区侧边巷道的采动应力重分布，在模型边界处设定了一个分段线性应力函数。该函数基于极限平衡理论推导，旨在重现包括靠近采空区的塑性区和弹性区在内的特征压力分布。
模拟设置： 本研究利用 COMSOL Multiphysics 耦合了固体力学、达西定律和相场模块。案例研究针对 15108 工作面，该工作面具有 15 米宽的煤柱和 4.6 米厚的煤层。模拟采用了分段后向水力压裂方案，包含两口钻孔（倾角分别为 60° 和 75°）及每口钻孔三个压裂阶段。
定量评估： 引入了四个定量指标来表征裂隙网络并评估卸压性能：
1. 裂隙范围 ( $X_1$ )： 裂隙网络的整体空间范围。
2. 裂隙密度 ( $X_2$ )： 裂隙单元占总参考区域的比例。
3. 分形维数 ( $X_3$ )： 衡量网络几何复杂性的指标。
4. 裂隙连通性 ( $X_4$ )： 来自相对钻孔的未连接裂隙尖端之间的水平距离。

主要结果
数值模拟揭示了关于裂隙演化和应力控制的几个关键发现：

裂隙扩展机制： 裂隙扩展受原位应力场、预存裂隙以及相邻钻孔应力干扰的共同控制。第一阶段裂隙主要由采动应力场驱动，而后续阶段则由相邻裂隙之间的相互作用主导。
应力演化： 在压裂过程中，由于裂隙的挤压作用，应力集中最初在巷道片帮处增加（在第三阶段增加高达 30%），随后转化为大规模低应力区。最终，巷道片帮的应力分别降低了 19% 和 34%。
应力集中系数 (SCF) 的影响：
- 低 SCF (1.2–1.4)： 裂隙主要呈水平方向扩展，形成一个高度连通的网络，从而产生叠加的低应力区。在此范围内，周围岩石的平均应力 (RSR) 减少量约为 20%，而煤柱内峰值应力的降低趋势不同，在 SCF 为 1.4 时达到最小值 -0.5%。
- 高 SCF (≥1.5)： 煤柱侧的裂隙扩展从水平转向垂直。出现强烈的阶段间抑制现象，导致第三阶段裂隙无法连通。这导致卸压性能恶化。具体而言，当 SCF 等于 1.6 时，卸压效果最差，两个巷道片帮的峰值应力降低量仅为 6.66% 和 5.64%。
与性能的相关性： 多元线性回归分析 ( $R^2 = 0.976$ ) 表明，裂隙范围、密度和分形维数与应力降低效果呈负相关。相反，裂隙连通性显示出正相关性。这表明，高度复杂的网络并不保证更好的性能；相反，一个连通性良好的网络对于有效的应力释放至关重要。

意义与主张
本文声称提供了一个稳健的数值框架，用于研究复杂开采条件下的水力压裂卸压。通过引入边界应力函数并利用相场法，该研究比需要预定义几何形状的方法能更准确地表征裂隙演化。

其主要意义在于建立了裂隙网络特征与应力释放性能之间的定量关系。作者断言，这些发现为水力压裂设计提供了实践指导，建议工程师应优先考虑在特定现场应力条件下形成连通性良好的裂隙网络。具体而言，研究建议通过调整工艺参数（如钻孔方位、持续时间和间距）来最大化连通性，并避免高应力集中对裂隙合并产生的负面影响。该工作旨在通过针对性的水力压裂优化周围岩体的应力环境，从而提高采空区侧边巷道的稳定性。

类似论文