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31 / 2025-11-19 09:31:41
超声波劣化煤岩物理力学特性研究
超声波；力学性能；起裂压裂；离散元 PFC2D
摘要待审
我国煤炭资源丰富，但大多数煤层透气性较低，瓦斯抽采难度大、效率低。
水力压裂技术作为煤层增透的有效手段之一，已在大量煤矿进行推广应用，但仍
面临起裂压力高、瓦斯抽采衰减快等问题。所在研究团队提出的超声波协同水力
压裂技术可优化裂缝形态，提高瓦斯抽采效率，但超声波作用下水力裂缝的起裂
规律尚不明确。本文采用物理实验、数值模拟和理论分析相结合的方法，研究了
超声波对煤岩力学性质及水力压裂起裂压力的影响规律，主要结论如下：
（1）采用自制超声波装置与力学试验机开展超声协同作用下的单轴压缩实
验，分析超声波对煤岩力学性质的影响，揭示了超声波功率与煤岩抗压强度、弹
性模量等力学参数之间的关系。实验结果表明，随着超声波功率从 520W 增至
2600W，型煤抗压强度降幅由 9.7%增至 75.6%，弹性模量降幅由 4.1%增至 68.1%；
高功率超声波（≥1560W）通过机械振动与热效应协同作用，导致煤体内部微裂
纹快速扩展并形成宏观裂缝，2600W 时可使试件温度最高达 221.8℃，破坏模式
由局部裂纹演变为整体破碎。
（2）利用离散元模拟软件 PFC2D 建立了煤岩数值模型，数值模拟分析了超
声波作用下煤岩破裂过程。模拟结果表明，①随着超声波功率的增加，煤岩峰值
强度也随之下降，破裂数逐渐增长，且破裂发育阶段显著前移；②低功率超声波
通过局部应力扰动激活了模型胶结弱结构面，促使裂纹沿缺陷分叉扩展，高功率
超声波形成一条贯通性主裂缝；③超声波导致底部颗粒速度提升 3~5 倍，运动方
向由无序转为定向传导；随着超声波功率的增大，颗粒的位移逐渐向与振动接触
一段聚集，最大位移量增加 220%；④力链分布由均匀密集转为局部稀疏，表明
超声波通过弱化颗粒黏结降低应力传递效率。
重要日期
-
会议日期
11月27日
2025
至11月29日
2025
-
11月29日 2025
初稿截稿日期
-
11月29日 2025
注册截止日期
主办单位
重庆大学
承办单位
煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室
重庆大学资源与安全学院
《Earth Energy Science》/地球能源科学（英文）
中煤科工集团重庆研究院有限公司
重庆大学资源与安全学院
《Earth Energy Science》/地球能源科学（英文）
中煤科工集团重庆研究院有限公司
协办单位
自然资源部复杂构造区非常规天然气评价与开发重点实验室
重庆市地质矿产勘查开发集团有限公司
InterPore China (国际多孔介质学会中国分会)
贵州大学
西南石油大学
重庆市地质矿产勘查开发集团有限公司
InterPore China (国际多孔介质学会中国分会)
贵州大学
西南石油大学
