不同开采引起的应力条件下煤裂缝网络的大小和空间分形分布

煤炭渗透性是二氧化碳注入和增强煤层气（CBM）回收的一个关键问题，它由断裂网络决定，而断裂网络受采矿诱发的应力演变的影响很大。为了全面了解不同开采诱发应力条件下的煤炭断裂网络的尺寸和空间分布特征，考虑到三种典型的开采布局，即煤顶塌陷开采（TCM）、无煤柱开采（NM）和保护煤层开采（PCM）所诱发的应力条件，进行了一系列实验室实验、计算机断层扫描（CT）和图像分析，重点研究了三维煤炭断裂系统。基于分形理论，对开采引起的煤炭微裂缝的大小和空间分布以及煤炭裂缝网络的各向异性曲率特征进行了定量测定。结果表明，微裂缝几何形状的尺寸分布、裂缝尺寸分布的分形尺寸和采矿诱发的煤裂缝网络的曲率随采矿诱发的应力条件而变化，导致煤块的渗流能力的差异。在PCM条件下的煤样，大型微裂缝的比例最高，而暴露在NM条件下的煤样，比例最低。典型煤块试样的微裂缝尺寸分布的分形尺寸（D_a和D_d）按PCM、NM和TCM条件依次减小，未进行采前卸压膨胀模拟（PUES）的煤块试样的D_a和D_d远低于有PUES的试样。采矿引起的断裂网络的迂回分形尺寸（δ）在空间上是各向异性的。暴露在PCM、NM和TCM条件下的煤块的δ范围分别为1.0-1.2、1.2-1.3和1.25-1.4。利用分形理论和测量的断裂网络数据，可以从理论上估计出煤的渗透率的各向异性空间分布。