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不同破断距下开采覆岩裂隙网络分形特征研究
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作者 刘俊熙 张士川 +3 位作者 沈宝堂 肖越 李杨杨 张有成 《山东科技大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2024年第1期11-21,共11页
为研究神东矿区不同破断距下开采覆岩裂隙网络分形特征,分析了基本顶周期破断距影响因素,选取大柳塔煤矿52505和上湾煤矿12401工作面进行物理相似模拟实验,探究了不同破断距影响下覆岩裂隙网络分布特征,借助Matlab软件获取不同覆岩裂隙... 为研究神东矿区不同破断距下开采覆岩裂隙网络分形特征,分析了基本顶周期破断距影响因素,选取大柳塔煤矿52505和上湾煤矿12401工作面进行物理相似模拟实验,探究了不同破断距影响下覆岩裂隙网络分布特征,借助Matlab软件获取不同覆岩裂隙网络分布分形维数,定量描述了覆岩裂隙发育特征,进一步探讨了覆岩裂隙传播影响下不同岩层沉降规律。研究结果表明:影响基本顶周期破断距主要因素包括基本顶厚度、抗拉强度以及承载载荷;大柳塔52505工作面、上湾12401工作面模拟开采平均破断距分别为20和30.4 m;不同破断距下覆岩裂隙网络的分形维数随煤层工作面推进呈现阶梯形增长态势,分形维数可较好地表征覆岩裂隙分布。两工作面最高离层裂隙发育高度与分形维数变化趋势均近似呈非线性正相关;不同破断距对覆岩整体裂隙发育扩展趋势影响显著,工作面回采前期大柳塔52505工作面分形维数相对较低,回采中后期则相反,破断距小,覆岩整体裂隙发育程度相对较高;两工作面覆岩沉降曲线呈“凸”型,近似以采空区中部对称。 展开更多
关键词 破断距 覆岩运动 覆岩裂隙网络 分形维数 周期来压
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不同角度充填节理花岗岩剪切裂纹扩展规律及断裂机制研究
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作者 韩学贤 张士川 +3 位作者 沈宝堂 柴顺杰 张有成 张伟强 《山东科技大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2024年第2期13-21,共9页
增强型地热系统储层中岩体节理通常含有充填物,充填节理的剪切力学行为直接影响储层渗透性及连通性。基于不同角度充填节理花岗岩直剪试验,研究了充填节理花岗岩剪切破坏的力学特性、损伤变量演化及裂纹扩展规律。结果表明:充填物及节... 增强型地热系统储层中岩体节理通常含有充填物,充填节理的剪切力学行为直接影响储层渗透性及连通性。基于不同角度充填节理花岗岩直剪试验,研究了充填节理花岗岩剪切破坏的力学特性、损伤变量演化及裂纹扩展规律。结果表明:充填物及节理角度影响花岗岩抗剪强度,表现为充填物改变裂纹扩展介质,节理角度影响花岗岩剪切时节理面的受力状态;充填节理花岗岩损伤破坏过程分为裂纹闭合、裂纹萌生发育、裂纹扩展破坏3个阶段,损伤变量随着损伤过程进行呈不断增大趋势;节理花岗岩剪切裂纹扩展方向可分为水平方向及平行节理方向,0°与90°节理试件剪切裂纹沿水平方向扩展直至贯通试件,30°、45°与60°节理试件剪切裂纹扩展方向与自身节理角度一致。 展开更多
关键词 岩石力学 充填节理 节理倾角 断裂机制 损伤演化
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固液耦合模式下含断层缺陷煤层回采诱发底板损伤及断层活化突水机制研究 被引量:26
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作者 张培森 颜伟 +2 位作者 张文泉 shen baotang 王浩 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第5期877-889,共13页
针对具体地质条件,以现场试验数据为基础,采用相似材料试验及数值模拟相结合的分析方法,对含断层缺陷煤层回采过程中底板损伤破坏及断层活化规律进行研究,研究得出:采用内径不同的水管能够很好地反映底板岩层渗透性的空间差异性,通过采... 针对具体地质条件,以现场试验数据为基础,采用相似材料试验及数值模拟相结合的分析方法,对含断层缺陷煤层回采过程中底板损伤破坏及断层活化规律进行研究,研究得出:采用内径不同的水管能够很好地反映底板岩层渗透性的空间差异性,通过采用调节注水管水柱高度的方式可以控制水压以满足设计要求;煤层埋深、承压水水压及断层落差越大越易突水,断层防水煤柱宽度越大越不易突水;通过试验及模拟计算再现了不同因素影响下煤层回采过程中底板采动裂隙形成、断层活化到突水通道形成的全过程,揭示了含断层构造底板突水通道的形成机制;研究结果对承压水上含断层缺陷煤层回采时防水煤柱的留设具有重要的参考价值。 展开更多
关键词 固液耦合 底板损伤 断层活化 突水机制
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煤层采动底板突水演变过程可视化试验平台研制与试验研究 被引量:10
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作者 李杨杨 张士川 +4 位作者 孙煕震 沈宝堂 孙文斌 陈军涛 赵金海 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第11期3515-3524,共10页
物理模拟试验可以直观展现底板突水全过程,并可获取采动底板突水灾变演化的多元化信息,成为研究承压水上开采的有效研究手段。对早期研制的深部采动底板突水模拟试验系统的突水流量监测、覆岩柔性加载、水平分级加载和恒压稳流试验舱等... 物理模拟试验可以直观展现底板突水全过程,并可获取采动底板突水灾变演化的多元化信息,成为研究承压水上开采的有效研究手段。对早期研制的深部采动底板突水模拟试验系统的突水流量监测、覆岩柔性加载、水平分级加载和恒压稳流试验舱等4个模块进行了改造,实现了突水水量区域化定量监测、覆岩柔性均布加载、双侧分区域独立加载、大容量恒压供水和全方位的密封等功能。借助改造后的试验系统和研制的非亲水相似模拟材料,以受底板承压水威胁的山东某矿为工程背景,研究了突水通道形成、流量灾变演化、隔水层应力变化等过程。试验结果表明:依据底板可视裂隙的扩展特征,将底板突水划分为横纵向演化阶段、横向周期演化阶段和灾变突水阶段;在第Ⅰ阶段,承压水顶界面主渗区首先产生于开切眼下方且位置不随煤层开采发生变化,随着开采可视裂隙向承压水含水层方向和工作面推进方向扩展,主渗区范围变大且流量显著提高;在第Ⅱ阶段,随煤层开采煤壁下方产生新的裂隙,上一阶段回采产生的裂隙封闭,裂隙扩展呈现周期性变化特征,主渗区流量呈现降低—升高—降低—升高的周期性变化趋势;在第Ⅱ阶段,突水通道形成后,主渗区成为承压水突水的源头,其他区域流量不再发生突变,可将该阶段初期的流量急剧突变特征作为突水预警信息。试验结果不仅对中东部矿区承压水上开采底板突水溃砂过程中裂隙演化、突水流量特征研究提供实验指导,同时也对矿井安全性评价及灾害预测与防治提供参考。 展开更多
关键词 底板突水 可视化试验平台 突水通道演化 区域涌水 灾害预警
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侧压影响下圆形洞室岩爆双轴物理模拟试验研究 被引量:9
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作者 谷雪斌 郭伟耀 +2 位作者 赵同彬 沈宝堂 张东晓 《山东科技大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2020年第1期46-52,共7页
为研究侧压影响下圆形洞室岩爆机制,采用双轴加载装置对含孔洞红砂岩试样进行了物理模拟试验,期间采用高速相机观测了孔洞破坏全过程。研究结果表明:岩爆过程可划分为平静期、剥落期、屈曲期和岩爆期四个时期;洞壁垂直起裂应力和岩爆V... 为研究侧压影响下圆形洞室岩爆机制,采用双轴加载装置对含孔洞红砂岩试样进行了物理模拟试验,期间采用高速相机观测了孔洞破坏全过程。研究结果表明:岩爆过程可划分为平静期、剥落期、屈曲期和岩爆期四个时期;洞壁垂直起裂应力和岩爆V型槽破坏深度均随侧压增大而呈线性增大趋势。侧压主要从两方面影响岩爆发生:一是影响洞室破坏机制,当侧压较低时,洞壁垂直方向起裂应力小、水平方向应力梯度小,以拉伸破坏机制为主,破坏范围小,而侧压较大时,洞壁浅部区域破坏机制与低侧压时类似,但洞壁深部区域由于水平应力增加,受力类似三轴压缩,以剪切破坏机制为主,破坏范围大;二是影响洞壁能量积聚释放特征,由于侧压增大,平静期持续时间增加,而破坏期持续时间减小,造成洞壁破坏时单位时间内能量释放率增加,岩爆发生更加剧烈。 展开更多
关键词 圆形洞室 岩爆 模拟试验 侧压 V型槽
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脆性类岩石材料边缘裂纹扩展规律试验研究 被引量:8
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作者 张保良 沈宝堂 +1 位作者 张金虎 张新国 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2020年第3期59-68,共10页
为研究脆性岩石边缘裂纹扩展规律,以自制的类岩石材料试件为研究对象,采用单轴加载、声发射监测及FRACOD^2D数值模拟相结合的方法,对预制边缘裂纹的起裂、扩展及声发射特征进行了研究。试验结果表明:随着预制边缘裂纹宽度的增加,试件的... 为研究脆性岩石边缘裂纹扩展规律,以自制的类岩石材料试件为研究对象,采用单轴加载、声发射监测及FRACOD^2D数值模拟相结合的方法,对预制边缘裂纹的起裂、扩展及声发射特征进行了研究。试验结果表明:随着预制边缘裂纹宽度的增加,试件的起裂强度、单轴抗压强度逐渐减小,I型拉伸裂纹出现的时间越来越早,剪切裂纹出现的时间越来越晚;试件的破坏形式不因预制边缘裂纹宽度不同而改变,最终以拉伸破坏为主。声发射监测中,裂纹起裂和试件整体破坏时声发射具有阶梯状波动、能量高的特点;边缘裂纹宽度越大,第1次出现能量峰值时间越早;I型破坏产生在线弹性阶段,大多数剪切与次生裂纹产生在峰值强度附近,其能量水平远大于拉伸裂纹起裂点能量值。数值模拟试验过程中,随着裂纹宽度增加,裂纹起裂角度越趋近于加载方向,裂纹数目增多,总位移由4.7 mm降低到1.07 mm,最大拉应力由58.2 MPa减小到26.8 MPa,试件的破坏形式与力学试验相同。 展开更多
关键词 脆性类岩石材料 边缘裂纹 扩展规律 声发射监测技术 FRACOD^2D
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FRACOD模拟软件在岩石工程中的应用及案例分析 被引量:2
7
作者 沈宝堂 张步初 +1 位作者 张士川 陈兵 《山东科技大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2020年第2期44-52,共9页
岩土工程领域中岩石作为力传播媒介在地下工程中起着至关重要的作用,掌握工程扰动过程中岩石裂纹扩展规律及破坏特征有助于揭示相关灾害发生机理,为防治灾难发生提供研究基础。为此,基于岩石断裂力学理论和位移不连续数值模拟理论,提出... 岩土工程领域中岩石作为力传播媒介在地下工程中起着至关重要的作用,掌握工程扰动过程中岩石裂纹扩展规律及破坏特征有助于揭示相关灾害发生机理,为防治灾难发生提供研究基础。为此,基于岩石断裂力学理论和位移不连续数值模拟理论,提出能够同时预测拉伸和剪切裂纹传播的F-准则,研发了能够模拟岩石混合裂纹扩展的FRACOD软件。首先从理论背景层面对FRACOD裂纹扩展模拟软件进行了详细的介绍,软件采用间接边界元-位移非连续法,并引入裂纹扩展F-准则及Mohr-Coulomb裂纹起裂准则用以模拟岩石混合裂纹扩展规律及应力场、位移场等物理场的分布规律。为验证该软件在众多工程领域的适用性,进行了地热开发钻孔破裂、岩石力学双轴压缩试验、水压致裂等三个模拟案例的对比分析。通过对模拟试验结果与室内试验或现场观测结果的对比发现,FRACOD不仅可以准确模拟岩石的裂纹扩展规律及岩体破坏特征,同时适用于涉及岩体断裂损伤的多个工程领域。因此,FRACOD研发与应用为岩石工程设计和研究提供了重要的研究工具,对岩体断裂损伤学科的发展具有重要的指导意义和参考价值。 展开更多
关键词 岩石断裂力学 FRACOD F-准则 裂纹扩展 岩石工程
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FRACOD模拟裂纹扩展液-力耦合模块的研发及工程应用 被引量:2
8
作者 沈宝堂 柴顺杰 +1 位作者 张士川 陈兵 《山东科技大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2021年第3期26-34,共9页
核废料储存、地热开发等岩体施工过程中经常遇到液-力耦合(H-M)问题,给安全施工带来了巨大挑战。开展液-力耦合相关模拟问题的研究对岩体工程领域发展具有一定的现实指导意义与参考价值。FRACOD软件中的H-M耦合采用位移不连续法计算裂... 核废料储存、地热开发等岩体施工过程中经常遇到液-力耦合(H-M)问题,给安全施工带来了巨大挑战。开展液-力耦合相关模拟问题的研究对岩体工程领域发展具有一定的现实指导意义与参考价值。FRACOD软件中的H-M耦合采用位移不连续法计算裂隙的变形和张度、用立方定律等方法依次对相邻裂隙单元之间流量、水压进行计算,再通过力学部分及液体流动部分的动态时步迭代循环,进而获得最终岩体破裂状态。为进一步验证FRACOD中液-力耦合模块的模拟效果,以地热开发中水力压裂及节理岩体中裂纹传播过程为例进行分析。模拟结果表明,在高应力环境中,天然裂隙岩体在水压及原岩应力共同作用下发生了明显的剪切滑移,受裂纹剪切的影响天然裂隙的水力孔径增加了80%,裂隙内部流体流动明显增强;在液-力耦合作用下,液体驱动的裂纹与岩石节理贯通且贯通后的节理继续向最大主应力方向扩展,模型结果直观地展现了耦合裂纹的起裂、扩展和贯通全过程以及应力场、声发射等物理场信息的分布规律。FRACOD中液-力耦合模块的开发,可成为研究岩体液-力耦合问题的工具,进而为岩体工程领域提供一种新的模拟方法和手段。 展开更多
关键词 FRACOD 位移不连续法 液-力耦合 水力压裂 裂纹扩展
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Investigation of overburden behaviour for grout injection to control mine subsidence 被引量:8
9
作者 shen baotang Poulsen Brett 《International Journal of Mining Science and Technology》 SCIE EI 2014年第3期317-323,共7页
This paper describes a field and numerical investigation of the overburden strata response to underground longwall mining, focusing on overburden strata movements and stress concentrations.Subsidence related high stre... This paper describes a field and numerical investigation of the overburden strata response to underground longwall mining, focusing on overburden strata movements and stress concentrations.Subsidence related high stress concentrations are believed to have caused damage to river beds in the Illawarra region, Australia. In the field study, extensometers, stressmeters and piezometers were installed in the overburden strata of a longwall panel at West Cliff Colliery. During longwall mining, a total of1000 mm tensile deformation was recorded in the overburden strata and as a result bed separation and gaps were formed. Bed separation was observed to start in the roof of the mining seam and gradually propagate toward the surface as the longwall face advanced. A substantial increase in the near-surface horizontal stresses was recorded before the longwall face reached the monitored locations. The stresses continued to increase as mining advanced and they reached a peak at about 200 m behind the longwall face. A numerical modelling study identified that the angle of breakage(i.e., the angle of the boundary of caved zone) behind the longwall face and over the goaf was 22–25° from vertical direction. This is consistent with the monitoring results showing the high gradient of stresses and strains on the surface150–320 m behind the mining face. 展开更多
关键词 Longwal mining Overburden movement Stress SUBSIDENCE Grout injection
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Remediation and monitoring of abandoned mines 被引量:2
10
作者 shen baotang Brett Poulsen +3 位作者 Luo Xun Qin Johnny Ramesh Thiruvenkatachari Duan Yi 《International Journal of Mining Science and Technology》 SCIE EI CSCD 2017年第5期803-811,共9页
paper describes a recent study on using fly ash for backfilling abandoned room and pillar mines.Detailed investigations on fly ash properties such as the strength and stiffness of settled fly ash, flowability of fly a... paper describes a recent study on using fly ash for backfilling abandoned room and pillar mines.Detailed investigations on fly ash properties such as the strength and stiffness of settled fly ash, flowability of fly ash grout, as well as chemistry and environmental aspects of fly ash backfill have been undertaken in the laboratory. Numerical modelling was also conducted to quantify the effects of fly ash backfill on the stability of underground pillars. The laboratory tests showed that with a solid concentration of approximate 50%, fly ash grout has an excellent flowability and very low viscosity. It is capable of penetrating and filling almost any voids underground if designed properly and settling as a reasonably stiff solid to provide support to the pillars. Several different types of strength tests proved that a consolidated fly ash should exhibit a friction angle above 42°. 3D numerical modelling on interaction between fly ash backfill and underground pillars has shown that fly ash backfill to 90% roadway height can raise the factor of safety(Fo S) of a marginally stable area to above 1.6, which is the number often used in rock engineering design for long term stability. Chemistry and leachate analysis of representative fly ash samples from a local power station showed that the elemental concentrations in the fly ash solid sample are lower than the allowed contaminant threshold and specific contaminant concentration levels. Geotechnical monitoring in the high risk areas of an abandoned mine has been carried out as part of the risk management and control for potential subsidence. The monitoring has been very helpful in understanding the ground behaviour around the abandoned mine which can provide timely information to the parties concerned in order to make correct decisions to control the subsidence risk. 展开更多
关键词 Abandoned MINE BACKFILL FLY ASH Laboratory tests MONITORING Modelling
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泥砂组合岩体预制裂隙扩展规律室内压缩试验研究
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作者 张保良 梁秋惠 +2 位作者 shen baotang 孟凡震 张巍 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第S02期3690-3699,共10页
针对煤层开采断层构造在顶底板不同岩层中的发育问题,以含预制三维裂隙的泥砂组合岩体为研究对象,采用单轴压缩、三轴压缩试验并结合声发射监测的方法对泥砂组合岩体裂纹扩展演化规律展开研究。试验结果表明:3种岩体的峰前应力-应变曲... 针对煤层开采断层构造在顶底板不同岩层中的发育问题,以含预制三维裂隙的泥砂组合岩体为研究对象,采用单轴压缩、三轴压缩试验并结合声发射监测的方法对泥砂组合岩体裂纹扩展演化规律展开研究。试验结果表明:3种岩体的峰前应力-应变曲线较为相似,泥砂组合岩体由于裂隙在穿层传播时发生变化,上部和下部岩体破坏不一致,峰后呈现不同形态;三轴加载下泥砂组合岩体峰值强度的均值分布为16~18 MPa,且在声发射监测中,泥砂组合岩体预制中部裂隙位置声发射活动较多,破坏后振幅达到最大值,基本在70 dB以上,随后声发射活动骤减,振幅降至60 dB以下;当含预制裂隙的泥岩或砂岩达到极限时,裂纹进行穿层传播,进而引发新一轮的声发射活动;当预制裂隙在泥砂组合岩体分界位置时,预制裂隙已提前突破了穿层阻力,会引导裂纹向两方向传播;泥砂组合岩体上部和下部裂隙位置岩样的声发射峰值振铃计数和峰值振幅均小于泥砂组合岩体中部裂隙位置岩样,泥砂组合岩体中部位置裂隙的存在使岩体结构面破坏,受力更容易发生变形破坏。研究成果为煤炭开采断层构造活化、穿层诱发的灾害防治研究提供新思路。 展开更多
关键词 岩石力学 组合岩体 三轴压缩 裂隙位置 裂纹扩展 声发射
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岩体裂纹扩展液-热-力耦合模块数值模拟研究 被引量:1
12
作者 沈宝堂 孟文航 +1 位作者 张士川 陈兵 《矿业研究与开发》 CAS 北大核心 2021年第11期76-81,共6页
为研究液-热-力三场耦合作用下深地工程岩体裂纹扩展演化机理,基于现有裂纹扩展模拟优势软件FRACOD,进一步研发了液-热-力(H-T-M)耦合模块。此模块采用间接边界元-位移不连续法进行力学数值计算(岩体的变形和裂纹扩展)和瞬态热流模拟,... 为研究液-热-力三场耦合作用下深地工程岩体裂纹扩展演化机理,基于现有裂纹扩展模拟优势软件FRACOD,进一步研发了液-热-力(H-T-M)耦合模块。此模块采用间接边界元-位移不连续法进行力学数值计算(岩体的变形和裂纹扩展)和瞬态热流模拟,用迭代法模拟裂纹扩展过程。通过地热能开发、地下天然气液化存储工程案例进行分析验证。模拟结果表明:(1)注入的流体温度与围岩温度不同时,流体在裂隙中流动引起热交换,在岩体内部产生温度压力,促进了裂纹扩展;(2)冰膨胀对岩石应力的影响随着裂隙孔径的增加而增大,所产生的压应力使岩体中的裂隙闭合,降低了流体泄露的风险。得到的试验结果能够清晰地反映出裂纹、不连续面及其扩展过程和演化规律,验证了该模块的可行性和优越性。 展开更多
关键词 FRACOD 裂纹扩展 液-热-力耦合 数值模拟
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Simulation of Supercritical Carbon Dioxide Fracturing in Shale Gas Reservoir 被引量:1
13
作者 SONG Weiqiang NI Hongjian +4 位作者 TANG Peng ZHANG Shichuan GAO Jichao ZHANGJunming shen baotang 《Journal of Thermal Science》 SCIE EI CAS CSCD 2021年第4期1444-1451,共8页
In order to fracture shale gas reservoir with carbon dioxide as the working fluid,laboratory experiments were firstly conducted to measure the influence of carbon dioxide immersion on shale rock's properties,and t... In order to fracture shale gas reservoir with carbon dioxide as the working fluid,laboratory experiments were firstly conducted to measure the influence of carbon dioxide immersion on shale rock's properties,and then the coupling mechanism between stress and seepage during hydraulic fracturing was simulated based on cohesive zone model.The fracturing ability of carbon dioxide and water was also compared under the same working conditions,and finally sensitivity analysis(including elastic modulus of shale,filtration coefficient,pump rate and viscosity of carbon dioxide)were conducted based on field application.The results show that,the elastic modulus of shale increased by 32.2%,the Poisson's ratio decreased by 40.3%and the compressive strength decreases by 22.9%after geothermal reaction with carbon dioxide under 30 MPa and 335.15 K for 2 hours.Compared with water fracturing,carbon dioxide fracturing induces longer fracture(increased by 25.3%)and narrower fracture(decreased to 40.8%).The fracture tends to get longer and narrower with increasing elastic modulus of shale.As filtration coefficient increases,the maximum width of fracture decreases significantly,whereas the length changes little.Both the length and maximum width of fracture increase with increasing pump rate,however the changing rate of length tends to decrease.The influence of viscosity of carbon dioxide on both fracture width and length is negligible,which validates the stable feasibility of carbon dioxide fracturing in different formation conditions. 展开更多
关键词 supercritical carbon dioxide FRACTURING shale gas mechanical properties SIMULATION
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