煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法与流程

1.本发明涉及煤层开采相似模拟技术领域，具体地，涉及一种煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法。


背景技术：

2.厚硬顶板是采掘围岩冲击地压启动区域性静载荷、动载荷的供给主体，目前一些矿井在回采前，开展地面和井下水平井分段区域压裂，通过提前破坏危险区域上覆顶板的完整性，使致灾岩层内形成一定数量长、宽、高不等的裂隙，进而改变致灾岩层的物理力学性质，从而形成“人造解放层”，从而可以为井下采掘活动提供低应力的作业大环境。
3.物理相似模拟实验是我国煤矿开采和矿山岩层控制技术研究和工程应用的重要方法之一。物理相似模拟试验以现场地质岩层柱状图和岩层物理力学参数为基础，根据试验原型地质条件及试验目的，按照相似理论搭建实验模型，再在模型上开挖各类工程。通过对模型开挖过程进行监测，从而可对围岩体的变形、移动和破坏进行研究分析。
4.物理相似实验模型主要根据现场地质条件和相似比，采用细沙、石膏、大白粉等材料混合搅拌后逐层铺设而成，强度较低，遇水则软化，因此，无法直接将井上下区域压裂工艺应用到实验室相似模型上，阻碍了对于区域压裂条件下采动覆岩活动规律及卸压防冲机理的研究。
5.其次，目前对于区域压裂的物理相似模拟，一些常用的做法是在坚硬致灾岩层中垂直或水平埋设铁片或聚脂薄膜，以此来模拟区域压裂后坚硬岩层中形成的裂缝，从而表征区域压裂对于坚硬岩层的压裂弱化效果。此类方法，对区域压裂形成的裂缝进行了简化，与实际压裂裂缝扩展形态相差较大，使得物理相似试验过程和结果不能真实的反应实际工况，降低了结果的准确性。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
7.为此，本发明实施例提出一种煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法，该煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法基于岩体致裂机理及压裂后裂缝扩展形态的相似性，不考虑岩体的水化反应，采用静态破碎剂对目标致灾岩层进行膨胀致裂并相似模拟压裂对于岩层的压裂弱化效果，该方法简单、方便，在实验室具有较好的可实施性，且模拟更加接近真实工况，提升了实验的准确性。
8.本发明实施例的煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法包括以下步骤：
9.搭建物理相似模型，所述物理相似模型包括开采层和目标致裂层，且所述目标致裂层内预设多个致裂孔；
10.选型静态破碎剂，并确定所述静态破碎剂的水剂比和装药孔径；
11.通过所述静态破碎剂和确定所述水剂比制备致裂浆体；
12.将所述致裂浆体装入至少部分所述致裂孔以实现对所述物理相似模型的目标致
裂层的致裂；
13.对致裂后产生的裂纹进行测量，若所述裂纹未达到预计范围，则进行二次致裂；
14.对所述开采层进行开采，并记录开采数据。
15.本发明实施例的煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法基于岩体致裂机理及压裂后裂缝扩展形态的相似性，不考虑岩体的水化反应，采用静态破碎剂对目标致灾岩层进行膨胀致裂并相似模拟压裂对于岩层的压裂弱化效果，该方法简单、方便，在实验室具有较好的可实施性，且模拟更加接近真实工况，提升了实验的准确性。
16.在一些实施例中，所述物理相似模型的搭建包括以下步骤：
17.确定物理相似模型基本相似比，所述模型基本相似比包括：几何相似比、应力相似比、位移相似比、强度相似比、容重相似比、时间相似比。
18.确定区域压裂相似实验参数，所述区域压裂相似实验参数包括：相似平均分段压裂长度、相似平均裂缝扩展高度、相似岩体致裂压力。
19.确定物理相似模型的各个分层的分层材料，然后自下而上逐层铺装每个分层，且在铺设过程中预埋用于监测变形或位移的传感器。
20.在一些实施例中，在铺装物理相似模型的所述目标致裂层时，在所述目标致裂层内预埋多个管体，多个所述管体沿着所述目标致裂层分层的铺设方向，按照相似平均分段压裂长度间隔布置，所述管体用于在后期取出以在所述目标致裂层内形成所述致裂孔。
21.在一些实施例中，所述管体上设有相对布置的两个切槽，在预埋所述管体时，其中一个所述切槽朝上布置，另一个所述切槽朝下布置，所述切槽用于后期对致裂孔4进行固定导向切槽。在一些实施例中，在将所述管体埋入所述目标致裂层之前，在所述管体的外周侧包裹胶带。
22.在一些实施例中，所述水剂比的确定包括以下步骤：
23.通过所述应力相似比计算得出用于物理相似模型的相似膨胀压力；
24.测试不同水剂比和不同装药孔径条件下的所述致裂浆体的膨胀压力，选取与所述相似膨胀压力一致或相近的膨胀压力所对应的水剂比和装药孔径。
25.在一些实施例中，所述膨胀压力通过以下方法测量：电阻应变片测量法、轴向输出测量法、液压式平衡测压仪测量。
26.在一些实施例中，所述致裂浆体通过注射器装入所述致裂孔内，且在装入后将所述致裂孔的孔口封堵；
27.或，所述致裂浆体装入袋子内，然后将袋子连同所述袋子内的致裂浆体装入所述致裂孔内。
28.在一些实施例中，实验方法还包括以下步骤：将所述目标致裂层置于不同层位以分别实现地面水平井分段区域压裂模拟或井下顶板超长孔水平井分段区域压裂模拟。
29.在一些实施例中，对所述开采层的开采分为多个开采循环，且在完成每个所述开采循环的开采层的开挖后，对该次开采循环的开采数据进行记录，然后再进行下次开采循环的开采。
附图说明
30.图1是本发明实施例的实验方法的流程示意图。
31.图2是本发明实施例的地面水平井(井上)分段区域压裂示意图。
32.图3是本发明实施例的井下顶板超长孔水平区域压裂示意图。
33.图4是本发明实施例的物理相似模型的立体示意图。
34.图5是图4中致裂孔的放大示意图。
35.图6是图5中a-a处的剖视示意图。
36.图7是本发明实施例的管体的立体示意图。
37.图8是本发明实施例的管体的管口处的示意图。
38.图9是本发明实施例的膨胀压力测试的测试装置示意图。
39.图10是图9中测试装置的端口处的示意图。
40.附图标记：
41.开采层1；开切眼2；目标致裂层3；致裂孔4；等效应力5；开槽6；管体7；切槽8；钢管9；应变片10；钢板11。
具体实施方式
42.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
43.需要说明的是，本发明实施例的煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法(以下简称实验方法)可以用于从地面区域的压裂的模拟，即用于压裂的设备位于地表，致裂时，可以从地表向致裂岩层(厚硬岩层)输送致裂浆体，具体如图2所示。本发明实施例的实验方法也可以用于从井下区域压裂的模拟，即用于压裂的设备可以位于巷道或专门的钻场内，致裂时，可以从巷道或专门的钻场内向致裂岩层输送致裂浆体，具体如图3所示。
44.本发明实施例的煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法整体可以分为三大步骤，如图1所示，三大步骤分别为：
45.步骤一：根据现场地质条件及实验目的搭建物理相似模型。
46.步骤二：根据煤层顶板井上下区域压裂工程实践，采用静态破碎剂对厚硬目标致灾岩层进行膨胀致裂。
47.步骤三：根据实验参数相似比，开挖区域压裂物理相似模型及进行数据监测。
48.如图4所示，基于上述三大步骤的本发明实施例的实验方法具体可以包括以下步骤：
49.s1：搭建物理相似模型，物理相似模型包括开采层1和目标致裂层3，且目标致裂层3内预设多个致裂孔4。具体地，物理相似模型可以通过砂石、石膏、大白粉等材料加水搅拌后逐层铺设而成，铺设过程中，对应的岩层形成开采层1和目标致裂层3。其中开采层1可以为煤层，目标致裂层3可以为厚硬岩层。
50.需要说明的是，在铺设目标致裂层3的过程中，可以预先埋入一些预埋管道，待物理相似模型固结成型后，可以将预埋的管道抽出，从而可以形成致裂孔4。
51.s2：选型静态破碎剂，并确定静态破碎剂的水剂比和装药孔径。具体地，可以根据实验室室温，进行静态破碎剂选型；根据区域压裂工程实践和目标压裂致灾岩层的物理力学性质，通过测试不同水剂比和不同装药孔径条件下的膨胀压力，确定适合用于物理相似模型的水剂比和装药孔径。
52.其中，静态破碎剂选型应根据实验室的环境温度选择合适类型的静态破碎剂。温度对于静态破碎剂的水化反应程度有较大影响，高温环境有利于水化反应的进行，但是易造成喷孔现象的发生，而低温环境则不利于反应的进行。春秋型静态破碎剂(10～30℃)、夏季型静态破碎剂(25～40℃)、冬季型静态破碎剂(－5～15℃)。
53.水剂比和装药孔径是静态破碎剂膨胀压力的主要影响因素。通过改变静态破碎剂的水剂比，可以控制药剂的水化反应程度，从而控制膨胀压力，常规使用时，静态破碎剂的水剂比在26％～35％之间水化反应程度最好，可得到最佳的膨胀压力，从而使岩体破碎；在工程应用过程中，装药孔径一般在30-50mm之间，装药孔径越大，注入钻孔内的静态破碎剂的量越多，产生的膨胀压力越大，但一般不超过50mm，否则容易出现喷孔现象。
54.s3：通过静态破碎剂和确定水剂比制备致裂浆体。具体地，可以将选好的静态破碎剂，按照相似模型水剂比，采用电子天平称取合适的药剂和水倒入容器中进行充分搅拌，充分搅拌后即形成致裂浆体。
55.s4：将致裂浆体装入至少部分致裂孔4以实现对物理相似模型的目标致裂层的致裂。具体地，可以对所有的致裂孔4均装入制备的致裂浆体，装入后，借助致裂浆体的水化反应产生的膨胀压力可以实现对目标致裂层3的膨胀致裂。
56.s5：对致裂后产生的裂纹进行测量，若裂纹未达到预计范围，则进行二次致裂。例如，在静态破碎剂水化反应结束后，可以通过直尺、卷尺等测量工具测量模型表面形成的裂纹，从而确定是否达到区域压裂裂缝相似扩展高度(预计范围)，未达到时则可以采用同样的方法对目标致裂层3进行二次致裂。
57.s6：对开采层1进行开采，并记录开采数据。例如，可以根据煤层的开采距离相似比、时间相似比，对区域压裂物理相似模型进行开挖。每完成一次采煤循环，首先记录相似模型开采距离、时间等信息，再进行其他监测传感器的数据采集，待数据采集完后方可进入下一次采煤循环，直至到达停采线结束开采。
58.可以理解的是，在其他一些实施例中，首先对致裂孔4进行致裂，然后再开挖致裂孔4所对应的开采层1(煤层)。本发明实施例的煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法基于岩体致裂机理及压裂后裂缝扩展形态的相似性，不考虑岩体的水化反应，采用静态破碎剂对目标致灾岩层进行膨胀致裂并相似模拟压裂对于岩层的压裂弱化效果，该方法简单、方便，在实验室具有较好的可实施性，且模拟更加接近真实工况，提升了实验的准确性。
59.在一些实施例中，物理相似模型的搭建包括以下步骤：
60.a1：确定物理相似模型基本相似比，模型基本相似比包括：几何相似比、应力相似比、位移相似比、强度相似比、容重相似比、时间相似比。
61.具体地，可以首先根据现场与实验条件确定模型的几何相似比，然后可以根据几何相似比并通过相似原理确定其他实验相似比，各相似比可以通过以下公式确定：
62.几何相似比：c
l
＝l
p
/lm；
63.式中，l
p
、lm为物理原型与相似模型的几何尺寸，m；
64.位移相似比：cs＝c
l
；
65.时间相似比：
66.容重相似比：c
γ
＝γ
p
/γm；
67.应力相似比：c
σ
＝c
l
×cγ
；
68.强度相似比：
69.a2：确定区域压裂相似实验参数，区域压裂相似实验参数包括：相似平均分段压裂长度、相似平均裂缝扩展高度、相似岩体致裂压力。
70.具体地，可以根据井上下区域压裂现场工程实践与实验模型基本相似比，确定区域压裂相似实验参数，包括：相似平均分段压裂长度、相似平均裂缝扩展高度、相似岩体致裂压力。其中裂缝扩展高度可以根据井上下联合微震监测系统得到。地面水平井分段区域压裂示意，如图2所示；井下顶板超长孔水平区域压裂示意，如图3所示。
71.相似平均分段压裂长度：l＝ls/c
l
，式中，ls为区域压裂现场工程实践中的平均分段长度，m；c
l
为物理相似模型的几何相似比。
72.相似平均裂缝扩展高度：d＝ds/c
l
，式中，ds为区域压裂现场工程实践中的平均裂缝扩展高度，m。
73.相似岩体致裂压力：f＝fs/c
σ
，式中，fs为区域压裂现场工程实践中的水力致裂压力，mpa：c
σ
为物理相似模型的应力相似比。
74.a3：确定物理相似模型的各个分层的分层材料，然后自下而上逐层铺装每个分层，且在铺设过程中预埋用于监测变形或位移的传感器。
75.具体地，可以采用河砂、粉煤灰、黏土为骨料，石膏、大白粉(碳酸钙)为胶结材料，云母粉为分层材料，水为拌合物。然后可以根据原型的岩层物理力学参数，选取合适的配比号，然后按地层顺序和配比将各种相似材料搅拌均匀、铺装平整、夯实，自下而上逐层铺装模型。其中煤层可以按照计算好的配比搅拌时加入墨汁来模拟煤层。
76.需要说明的是，在模型铺设过程当中，可以根据实验目的，布设传感器对采掘围岩的变形、破坏和移动进行监测。例如，在铺设相似模型过程中，可以预先在煤层的顶板覆岩和底板中内埋入一些压力盒等应力传感器，从而可以实现对开采层1开挖过程中应力的监测。
77.在其他一些实施例中，也可以采用数字散斑技术，对模型表面变形位移进行监测成像。在另一些实施例中，也可以在模型中铺设不同数量的水平和垂直光纤光缆对覆岩变形进行监测，从而划定“竖三带、横三区”范围。
78.在一些实施例中，在铺装物理相似模型的目标致裂层3时，在目标致裂层3内预埋多个管体7，多个管体7沿着目标致裂分成的铺设方向间隔布置，管体7用于在后期取出以在目标致裂层3内形成致裂孔4。
79.具体地，在铺设目标致裂层3时，可以预先铺设埋入pvc管(管体7)，pvc管的规格可以根据致裂孔4的深度、孔径大小进行制作，如图4所示，目标致裂层3大体沿着左右方向延伸，多个pvc管大体沿着左右方向等间隔布置。pvc管孔径大小，需根据不同装药孔径条件下的膨胀压力测试结果得出。待物理相似模型完全静止凝固后(可以根据室内气温静止5-10天左右)，将pvc管从目标致裂层3内抽出即可，pvc管抽出后形成的孔洞即形成各个致裂孔4。
80.在一些实施例中，管体7上设有相对布置的两个切槽8，在预埋管体7时，其中一个切槽8朝上布置，另一个切槽8朝下布置，切槽8用于后期对致裂孔4进行固定导向切槽。具体地，如图7和图8所示，管体7可以为圆管状，两个切槽8可以均贯穿管体7的管壁，且两个切槽
8均可以沿着管体7的轴向延伸。需要说明的是，两个切槽8的一端沿着至管体7的一端端面，而两个切槽8的另一端则未延伸至管体7的额另一端端面。
81.由此，当物理相似模型固结后，可以通过刀片、锯条等工具从对应的切槽8处向上或向下切割目标致裂层3，切割后，如图5和图6所示，致裂孔4的上下两侧会形成与致裂孔4贯通的两个开槽6。两个开槽6内可以形成自由面，从而在通过致裂浆体对致裂孔4处致裂时，裂隙可以主要沿着上下方向进行发育扩展。
82.在一些实施例中，在将管体7埋入目标致裂层3之前，在管体7的外周侧包裹胶带。胶带可以防止在铺设模型时，铺设材料进入管体7中，同时也方便进行导向切槽8。在一些实施例中，水剂比和装药孔径的确定包括以下步骤：
83.b1：通过应力相似比计算得出用于物理相似模型的相似膨胀压力。具体地，可以通过工程实践等获得真实工况下的致裂膨胀力，然后通过应力相似比即可得到模型的相似膨胀压力。
84.b2：测试不同水剂比和不同装药孔径条件下的致裂浆体的膨胀压力，选取与相似膨胀压力一致或相近的膨胀压力所对应的水剂比和装药孔径。具体地，膨胀压力可以通过以下方法测量：电阻应变片10测量法、轴向输出测量法、液压式平衡测压仪测量。
85.因为电阻应变片10法操作简单，为一般常用方法，以下通过电阻应变片10测量法对对测试方法进行说明：
86.测量时，如图9和图10所示，可以采用q235无缝钢管9，其长度为500mm，内直径为30mm(可根据实际情况待定)，壁厚为4mm，钢管9底部采用厚度为4mm的钢板11进行焊接(要求不能漏水)。可以用密封胶水将应变片10横向和纵向贴在钢管9相应位置，将电阻应变片10通过导线与应变仪器连接，并将钢管9装入塑料袋后放入水桶中，之后拌好致裂浆体并灌入钢管9，然后可以用木棍捣实，开始测量，最后通过弹性力学中的薄壁圆筒理论计算静态破碎剂膨胀压力。
[0087][0088]
式中，p为静态破碎剂膨胀压力，mpa；es为钢管9弹性模量，gpa；k为钢管9的外径与内径的比值；ε
θ
为钢管9的圆周方向应变量；v为钢管9泊松比。
[0089]
在一些实施例中，致裂浆体可以通过注射器装入致裂孔4内，且在装入后将致裂孔4的孔口封堵，例如，可以采用封孔器或者封孔材料对致裂孔4的孔口进行封孔。在其他一些实施例中，致裂浆体可以首先装入袋子内，然后将袋子连同袋子内的致裂浆体装入致裂孔4内。
[0090]
需要说明的是，充分搅拌后的致裂浆体至开始注浆的间隔时间不能太长，应避免因致裂浆体发生水化反应丧失部分膨胀力，或因凝结而无法注浆的问题。
[0091]
在一些实施例中，实验方法还包括以下步骤：如图4所示，在物理相似模型的上方施加等效应力5以代替未铺装的覆岩部分，且等效应力5通过以下公式确定：
[0092][0093]
式中，h：由煤层到地表的上覆岩土层厚度，m；
[0094]hm
：煤层上方模拟岩土层的厚度，m；
[0095]
：上覆松散层的平均容重，kn/m3；
[0096]cr
：容重相似比，kn/m2；
[0097]cl
：几何相似比；
[0098]
l：模型长度，m；
[0099]
b：模型宽度，m。
[0100]
由此，可以避免因模型高度受限，相似模型上覆岩层没有铺装部分而无法产生相应的应力作用的情况，即通过施加等效应力5实现对未铺设上覆岩层的替代，使得实验更加贴近真实工况，保证了实验数据的准确性。
[0101]
在一些实施例中，实验方法还包括以下步骤：将所述目标致裂层3置于不同层位以分别实现地面水平井分段区域压裂模拟或井下顶板超长孔水平井分段区域压裂模拟。
[0102]
具体地，可以首先根据工程实践确定目标致裂层3的具体层位，然后在铺设物理试验模型时，可以向目标致裂层3铺设至相应的层位位置，从而使得本实验方法既可以实现对地面水平井分段区域压裂的相似模拟，也可以实现对井下顶板超长孔水平井分段区域压裂的相似模拟。
[0103]
在一些实施例中，对开采层1的开采分为多个开采循环，且在完成每个开采循环的开采层1的开挖后，对该次开采循环的开采数据进行记录，然后再进行下次开采循环的开采。具体地，可以根据煤层开采距离相似比、时间相似比，对区域压裂物理相似模型进行开挖，开挖时，可以从图4中开切眼2的位置向右侧开挖，每完成一次采煤循环，可以首先记录相似模型开采距离、时间等信息，再进行其他监测传感器的数据采集，待数据采集完后方可进入下一次采煤循环，直至到达停采线结束开采。
[0104]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0105]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0106]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0107]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0108]
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0109]
尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法，其特征在于，包括以下步骤：搭建物理相似模型，所述物理相似模型包括开采层和目标致裂层，且所述目标致裂层内预设多个致裂孔；选型静态破碎剂，并确定所述静态破碎剂的水剂比和装药孔径；通过所述静态破碎剂和确定所述水剂比制备致裂浆体；将所述致裂浆体装入至少部分所述致裂孔以实现对所述物理相似模型的目标致裂层的致裂；对致裂后产生的裂纹进行测量，若所述裂纹未达到预计范围，则进行二次致裂；对所述开采层进行开采，并记录开采数据。2.根据权利要求1所述的煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法，其特征在于，所述物理相似模型的搭建包括以下步骤：确定物理相似模型基本相似比，所述模型基本相似比包括：几何相似比、应力相似比、位移相似比、强度相似比、容重相似比、时间相似比。确定区域压裂相似实验参数，所述区域压裂相似实验参数包括：相似平均分段压裂长度、相似平均裂缝扩展高度、相似岩体致裂压力。确定物理相似模型的各个分层的分层材料，然后自下而上逐层铺装每个分层，且在铺设过程中预埋用于监测变形或位移的传感器。3.根据权利要求2所述的煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法，其特征在于，在铺装物理相似模型的所述目标致裂层时，在所述目标致裂层内预埋多个管体，多个所述管体沿着所述目标致裂层分层的铺设方向，按照相似平均分段压裂长度间隔布置，所述管体用于在后期取出以在所述目标致裂层内形成所述致裂孔。4.根据权利要求3所述的煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法，其特征在于，所述管体上设有相对布置的两个切槽，在预埋所述管体时，其中一个所述切槽朝上布置，另一个所述切槽朝下布置，所述切槽用于后期对致裂孔4进行固定导向切槽。5.根据权利要求3所述的煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法，其特征在于，在将所述管体埋入所述目标致裂层之前，在所述管体的外周侧包裹胶带。6.根据权利要求2所述的煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法，其特征在于，所述水剂比和装药孔径的确定包括以下步骤：通过所述应力相似比计算得出用于物理相似模型的相似膨胀压力；测试不同水剂比和不同装药孔径条件下的所述致裂浆体的膨胀压力，选取与所述相似膨胀压力一致或相近的膨胀压力所对应的水剂比和装药孔径。7.根据权利要求6所述的煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法，其特征在于，所述膨胀压力通过以下方法测量：电阻应变片测量法、轴向输出测量法、液压式平衡测压仪测量。8.根据权利要求1所述的煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法，其特征在于，所述致裂浆体通过注射器装入所述致裂孔内，且在装入后将所述致裂孔的孔口封堵；或，所述致裂浆体装入袋子内，然后将袋子连同所述袋子内的致裂浆体装入所述致裂孔内。9.根据权利要求1所述的煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法，其特征在
于，还包括以下步骤：将所述目标致裂层置于不同层位以分别实现地面水平井分段区域压裂模拟或井下顶板超长孔水平井分段区域压裂模拟。10.根据权利要求1-9中任一项所述的煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法，其特征在于，对所述开采层的开采分为多个开采循环，且在完成每个所述开采循环的开采层的开挖后，对该次开采循环的开采数据进行记录，然后再进行下次开采循环的开采。

技术总结
本发明公开了一种煤层顶板井上下区域压裂物理相似模拟实验方法，包括以下步骤：一、根据现场地质条件及实验目的搭建物理相似模型；二、根据煤层顶板井上下区域压裂工程实践，采用静态破碎剂对厚硬目标致灾岩层进行膨胀致裂；三、根据实验参数相似比，开挖区域压裂物理相似模型及进行数据监测。本发明的实验方法主要基于岩体致裂机理及压裂后裂缝扩展形态的相似性，不考虑岩体的水化反应，采用静态破碎剂对目标致灾岩层进行膨胀致裂并相似模拟压裂对于岩层的压裂弱化效果，在实验室具有较好的可实施性，且模拟更加接近真实工况，提升了实验的准确性。实验的准确性。实验的准确性。


技术研发人员：邬建宏 潘俊锋 杨鸿智 高家明 闫耀东 马宏源
受保护的技术使用者：煤炭科学研究总院
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/8/1