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原始研究的文章

前面。板牙。,19 December 2022
秒。能源材料
卷9 - 2022 | https://doi.org/10.3389/fmats.2022.1035815

水力压裂的坚硬顶板的控制方法与长和短的水井

www.雷竞技rebatfrontiersin.orgJinkui马 1、2*,www.雷竞技rebatfrontiersin.org香港李3,www.雷竞技rebatfrontiersin.org小民郭1、2,www.雷竞技rebatfrontiersin.orgFuchao田1、2www.雷竞技rebatfrontiersin.orgHuaiguang郭1、2
  • 1中国煤炭技术和工程集团,沈阳研究所,沈阳、中国
  • 2中国煤炭技术和工程集团沈阳研究所、煤矿安全技术国家重点实验室,中国抚顺
  • 3安全工程学院,河南大学的工程,中国郑州

在开采的工作面,屋顶会导致一系列的问题,如在采空区漏风,气体排放浓度,伤亡,破坏建筑和生态环境。硬顶的处理一直是一个主要产煤国家的难题。虽然许多学者在这个领域进行了一些理论研究和现场实践,近年来,上述安全问题还是经常发生。为了了解裂纹扩展机制引起的水力压裂的屋顶,基于线弹性断裂力学的理论分析和煤岩石力学、剪切断裂准则确定的水平裂缝的形成自然的裂缝。裂纹尖端的各向异性,煤和岩石断裂表面的粘附力和hydraulic-induced裂纹扩展的条件也考虑。裂缝的形成主要包括垂直裂缝和多个extended-airfoil分支互连横向和纵向裂缝。在水动力水润湿和水力压裂的影响,煤炭的压力和质量发生了变化。同时,机械parameeters,如压缩、抗拉强度和弹性模量等,被削弱,从而实现结构转型的目标和轻微的煤岩体的弱化。根据煤岩体的双向应力,裂纹张开的最大主压应力计算,水力压裂裂缝和传播机制的硬顶。水力压裂技术控制硬顶了,已经应用在寺河矿二号井多年。 The research results could provide reference for the control of the hard roof in other similar mines.

1介绍

硬顶指厚和硬层砂岩,砾岩、石灰岩在煤层或薄层。坚硬顶板岩石具有高强度、大厚度、完整性强、和raybet雷竞技下载地址自我维持能力,没有裂缝。煤层开采后,大面积的屋顶在采空区上覆岩层过剩,没有在短时间内倒塌。屈服后,屈服变得很大的面积和高度,和有很强的周期性压力,这常常会导致设备损坏和气体灾害(王et al ., 2009;李,王,2013年;Cai和刘,2016年;汉族,2016)。目前,在中国的控制困难和困难的屋顶主要是基于爆破和软化水的注入。然而,有一个大的振动和风险很难控制爆破方法屋顶的面积下降,容易造成大面积的屋顶倒塌。屋顶的崩溃后,采空区的瓦斯将瞬间压在挖掘空间,这可能会导致气体溢出或瓦斯爆炸。根据瓦斯超限事故的统计分析1057年矿业面临井在中国的山西省从2003年到2017年,大规模的一次性屋顶坍塌引起的瓦斯超限事故的采空区占45.6% (胡、赵,2000;徐et al ., 2011;刘et al ., 2015)。

有两种不同的方式来控制硬顶。一个屋顶是保持稳定的煤炭开采期间,另一个是采取一些措施改善采场冒顶和维护空间的安全。前者控制方法包括煤柱支撑和采空区充填。后者包括强制崩落法,通过注水软化法,强烈支持削减屋顶,削弱方法,先进的深孔pre-blasting,定向水力压裂方法,。在中国,研究人员一直在研究控制方法自1950年代以来的艰苦和困难的屋顶。在课题研究在综合机械化开采困难的屋顶在中国山西大同矿区,两个坚硬顶板治疗过程的挤压爆破和注水已经被深入研究。两个坚硬顶板治疗过程的挤压爆破和注水已经深入研究了研究和成果包括步进式深孔崩落的形成和循环浅孔崩落,被迫削减超过,先进的深孔pre-explosion宽松的屋顶,和高压预填充水和水力压裂。他们可以用来有效地控制的崩溃硬屋顶通过弱化坚硬顶板的完整性。因此,采空区的屋顶是分层崩落的高度增加,降低,经济衰退和下滑角系数增加,老顶的初始压力和周期性加权一步增加,采空区的吊顶降低,和悬浮区域的三角形面积减少工作面,这消除了大面积屋顶下降的恶性事故。同时,动压系数降低,冲击载荷是消除。通过这种方式,也可以使用硬顶在长壁工作面,与水或定向水力压裂水可以被注入。它还减少了岩石尘土和煤尘和节约的消费选择,这有利于防止煤层自燃。一些学者研究了裂纹扩展理论在围岩中,但很少有研究屋顶上定向的水力裂缝的机理和有效控制参数硬顶的地下。 In this study, on the basis of the theoretical analysis of the mechanism of cracking, No. 2 Well of Sihe Coal Mine, where the directional roof hydraulic fracturing technology has been used to successfully control the roof collapse, was taken as an engineering case to determine relevant construction parameters of the directional hydraulic fracturing of the hard roof, providing theoretical guidance for the hydraulic fracturing of project implementation in other similar mines.

2水力裂缝延伸的基本标准

早期水力压裂研究表明,岩石裂纹首先发起的方向垂直于最小主应力和扩大这个方向时,液体压力超过了最小主应力。1957年,哈伯特和威利斯提出第一个破裂压力计算公式,应用有效应力Terzaghi和认为岩石不透水。1967年,Haimson和Fairhurst后建立了裂缝压力计算公式考虑岩石的渗透性(妞妞和李,1992年;杜et al ., 2008;元et al ., 2012)。Hazim讨论定向射孔的必要性从岩石力学的角度。他相信方向应放置在水力裂缝的方向定向射孔过程中,从而形成一个宽面裂缝储层,而不是多个并行的骨折,re-directional骨折,t形骨折。这是有利于压裂治疗。

裂纹扩展准则是身体的延伸煤的基础的梢端骨折的影响下的外部动力。数值模型是用来描述裂纹的扩张,传统的线弹性断裂力学,和K= K集成电路,在那里K是指强度因子K集成电路是断裂的因素。从煤和岩石的力学分析在压裂过程中,水力压裂形成减少了增加压力p压裂液。当p增加,切向应力 σ θ 在裂缝降低了。增加到一定程度时, σ θ 成为负值,

σ θ = 年代 , ( 1 )

在哪里年代质量代表了煤岩的抗拉强度值。裂纹发生在最低的 σ θ 在这 θ = 0 ° θ = 180年 ° 在哪里

σ θ = 3 σ h σ H p + δ ( α 1 ( 1 2 ν ) 2 ( 1 ν ) ( 1 R 2 r 2 ) ϕ ] ( p p ( r , t ) ] , ( 2 )

在哪里 p ( r , t ) 形成的孔隙压力值时,椭圆裂纹半径 r = R ,边界条件 p ( r , t ) = ζ p ,在这 ζ 被定义为有效压力系数的膜, ζ = p c p = k c 一个 k e + k r o c k p 0 p k c 一个 k e + k r o c k ,在那里pc在裂纹尖端的孔隙压力,p0是在遥远的地层孔隙压力。替换公式(2)公式(1),断裂拉伸断裂得到的压力:

p f = p = 3 σ h σ H δ ( α 1 ( 1 2 ν ) ( 1 ν ) ϕ ] p c + 年代 1 δ ( α 1 ( 1 2 ν ) ( 1 ν ) ϕ ] ( 3 )

如果形成的水平裂缝,岩石的垂直拉伸应力需要达到垂直抗拉强度v的岩石,在这个时候,满足 σ z α p ( r , t ) = 年代 v 这样表达 p f = ( σ v α 1 p ( r , t ) ] + 年代 v 1 α 1 ( 1 2 ν ) 1 ν + ϕ + α 1 p ( r , t ) 骨折的压力pf的水平裂缝也可以获得。如果在煤岩水力裂缝的身体遇到自然裂缝开裂过程中,它可以裂纹沿天然裂缝的方向。在这个时候,沿天然裂缝可能形成剪切破坏。弱面模型可以用来研究弱表面开裂,和疲软的表面开裂的标准

σ 1 σ 3 = 2 ( 年代 w + μ w σ 3 ) ( 1 μ w c t y β 2 ) 2 β 2 , ( 4 )

在哪里 σ 1 σ 3 分别指的是最大和最小主应力,年代w表面是疲软的凝聚力, μ w 是弱平面摩擦系数, β 2 是弱者的正常角表面。在天然裂缝性地层,自然骨折是一组弱面, 年代 w = 0 。的标准液压骨折的剪切破坏煤岩体的自然骨折可以表示为

σ 1 σ 3 = 2 μ w σ 3 ( 1 μ w c t y β 2 ) 2 β 2 ( 5 )

三个基本条件,通过水力压裂裂纹扩展引起的

水力压裂法向应力时造成垂直于裂纹表面达到一定的值。水力压裂模型提出了基于测试。模型假定裂纹是一个二维定螺距裂纹的无限空间弹性材料,和液体压力导致的裂纹由水力压裂液体压强P1应用于裂缝,和液体压力P2,这是应用到岩石的裂隙土(图1)。

图1
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图1。水力压裂模型。

图1,没有压力奇点的梢端裂,和强度因子

K = K 11 + K 12 = ( σ α + σ v + σ h ) π c + 0 c 2 c σ t π c c 2 b 2 d b = ( σ α + σ v + σ h ) π c 2 c π σ t arccos ( 一个 c ) , ( 6 )

K = 0 , 一个 / c = 一个 r c ( π ( p σ v + σ h ) / 2 σ t ] , R = c 一个 = 一个 ( 证券交易委员会 π ( σ α σ v + σ h ) 2 σ t 1 ] 。为了使裂缝宽度或高度的基本条件, R > 0 必须满足的基本条件 σ t > σ v + R t σ h ,考虑到裂纹扩张的水;克服凝聚力的煤岩裂隙表面,水压力是满意 σ α > σ v + R t σ h + l v / k ,在那里k是煤岩渗透率的质量,l是扩展长度,v液体流量。

基于上述分析,注水压力应考虑水泄漏骨折 P f = K Ι C 3 / 2 d 3 / 4 ( E ( V l e 一个 k + V f ) ] 1 / 2 ( 32 π 6 3 / 2 ) 1 / 2 + d γ 。在上述方程 E = E 1 μ 2 , E μ 是材料的弹性模量和泊松比,d裂缝的深度, V l e 一个 k 额外的水渗流的体积,vf水的体积是骨折, γ 岩体的重量。

结合方程 { σ t > σ v + R t σ h σ α > σ v + R t σ h + l v / k ,最低所需注射压力的液体扩大骨折可以获得如下:

{ σ α > σ v + R t σ h + l v / k , σ α = ( σ v p f σ h ) 2 4 ( σ v p f σ h ) , P f = K Ι C 3 / 2 d 3 / 4 ( E ( V l e 一个 k + V f ) ] 1 / 2 ( 32 π 6 3 / 2 ) 1 / 2 + d γ , σ t > σ v + R t σ h ( 7 )

4裂纹扩展机制的坚硬顶板水力压裂诱导

水力压裂裂纹扩展引起的煤和岩石质量是受到很多因素的影响,如围岩的应力场和煤岩体的结构和力学性能。一般的传播方向hydraulic-induced裂缝在煤岩体的埋深范围200 - 600米在同一个方向的最小水平应力,主要形成垂直裂缝(杨et al ., 2012;王et al ., 2017)。在高压水的持续影响下,翼裂纹和branch-shaped形成裂缝。在煤岩体渗透性相对较低,高压水会形成裂纹的尖端的高压力区,这将形成一个主导的复杂应力下应力上覆地层压力、最大和最小主应力形成的煤岩的质量,逐渐扩大到煤炭和岩体的深。在这个过程中,水逐渐渗透到煤和岩石主要通过裂缝和翼裂,water-coal-rock接触表面的增加,煤岩的接触表面被水润湿接触角大的身体,和煤岩体的水含量逐渐增加,然后调湿软岩体,从而改变煤岩结构,削弱煤和岩石,提高裂缝之间的连接(施et al ., 2016 b;吴和康,2017)。

产生的高压液体双向压应力 σ v σ h 在煤岩质量和斜裂缝(角引起的 β 在压应力和煤岩的接触表面的身体)(图2);飞机上的法向应力裂纹 σ n = 1 2 ( ( σ v - - - - - - σ h ) + ( σ v - - - - - - σ h ) 因为 2 β ] ;剪切应力是 σ t = 1 2 ( σ v - - - - - - σ h ) 2 β ] ,水压力作用下的裂缝尖端Ι和Π类型煤岩体的应力强度因素,当 K = - - - - - - { 1 2 ( ( σ v - - - - - - σ h ) + ( σ v - - - - - - σ h ) 因为 2 β ] - - - - - - ( γ J ) V /一个 } π 一个 K Π = 1 2 ( σ v - - - - - - σ h ) 2 β π 一个 的基础,利用压剪断裂的判断, λ Σ K + Σ K Π = K Π C 被用来获得最大主压应力的 σ v = 2 β - - - - - - λ 因为 2 β + λ 2 β - - - - - - λ 因为 2 β - - - - - - λ σ h + 2 K Π - - - - - - 2 γ ( 十/五 ) π 一个 π 一个 当裂纹动水压力的作用下打开。

图2
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图2。原理图的双向应力骨折在煤体内。

在一定条件下煤和岩石质量,最重要的因素影响水力压裂的压裂液水压力和煤岩体的动态损伤。外部压力流体的直接和间接影响的断裂力学煤岩体的断裂表面。的直接行动源于裂缝中流体压力,间接影响是来自水的拉应力在裂纹表面结构。水力压裂过程中的煤岩体的主裂纹的形成主要是通过直接的行动,和机翼分支裂缝主要是由于间接操作。

5工程实践水力压裂的屋顶

随着煤炭开采方法的不断发展,硬屋顶的控制方法也在不断变化(康et al ., 2017;·拉希德et al ., 2020)。一些方法很少使用,如煤柱支撑方法,因为大量的煤柱是用来保持相对稳定的屋顶,导致低恢复煤炭资源(华,2004;Chang et al ., 2018)。采空区充填方法也很少使用,因为它的高成本。削弱方法由注水和定向水力压裂中扮演一个重要的角色,如所示表1。每个方法都有相应的适用条件和顶部控制效果。在这项研究中,定向水力压裂法控制的屋顶矿业面临的实际情况顶板寺河矿二号井的。

表1
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表1。的控制方法比较艰苦卓绝的冒顶。

寺河矿二号井位于金城,山西省北部的中国中部(图3)。我是我高气体,主要煤层是15号。煤层的深度是329米和419米之间。屋顶的直接和主要的屋顶都紧凑,坚硬的石灰岩。大部分的石灰岩强度110 MPa和130 MPa之间集中平均为123.43 MPa,属于一个非常困难的屋顶。泥岩夹层的位置在屋顶倾斜。平均强度为45.32 MPa,普尔热瓦尔斯基是8,硬度和抗剪强度为4.74 MPa。

图3
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图3。位置和地层结构的主要开采煤层寺河矿二号井。

5.1分析煤层顶板压力测试

煤层倾角是1 - 8°,平均4°。平均煤层厚度是2.58米。变异系数为30%,可采指数为1。强度、结构和顶板岩层的地应力场的基础设计硬顶的定向水力压裂技术。根据实地观察,矿业面临的屋顶没有虚假的屋顶,屋顶和直接是石灰石。岩性包括灰色、动物化石碎片,方解石脉,层状泥灰岩和泥岩。根据地质资料,直接顶岩层的厚度平均为9米,紧凑和硬层,节理裂隙相对发达,完整性和稳定性是好的。岩层的平均单轴抗压强度127 MPa,平均单轴抗拉强度为7.5 MPa,和平均剪切强度为16.2 MPa,属于典型的刚性屋顶。

原位强度试验进行了岩石在10 m的屋顶岩石钻探与周围岩石强度测试设备。岩体的单轴抗压强度80 MPa和140 MPa之间。电子钻孔偷窥者被用来观察围岩结构15号煤层上方的屋顶,这是发现有软弱夹层的厚度约为400毫米之间的斜长22米至25米,垂直高度是11 - 12.5。粉砂岩的完整性也有利于深层钻井(图4)。15号煤的地应力水平属于低地应力区,和应力场是σHVh,以构造应力为主。

图4
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图4。内壁偷看地图0-35米钻孔煤层的屋顶。

定向水力压裂技术控制困难的屋顶可以减少屋顶的完整性通过使用高压水,有效地控制困难的屋顶倒塌,屋顶塌陷,避免引起安全以及天然气事故在采矿的正常工作。屋顶的特定参数围岩矿所示表2

表2
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表2。强度测试参数周围15号煤屋顶。

5.2水力压裂施工参数

钻井进行了使用直径enhanced-strengthen钻直径Φ56毫米。两种类型的压裂钻孔排列切削面,钻井和压裂的压裂钻孔L′是第一次执行,其次是S′建设和压裂操作(图5)。根据钻孔的分析观点,有一层14号煤14米的距离从15号煤层的垂直高度。考虑的最大直接削弱屋顶(清廉m)和水力压裂的岩层之间的5和17米,钻孔距离被设定为10 m,钻井施工参数所示表3

图5
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图5。井下水力压裂的布局工作。

表3
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表3。钻井的设计参数。

5.3水力压裂技术和过程

钻孔在坚硬顶板断裂与柱式液压回转式凿岩机,和一个特殊的钻头用于坚硬的岩石。钻井完成后,观察井眼围岩结构的井眼偷窥者,和开槽位置是根据裂缝的分布。钻井完成后在开槽的位置,代替普通钻头KZ54特殊钻头(图6),打开一个楔形槽的直径约两倍直径在一个指定的位置。开槽部分是硬的和完整的部分屋顶,然后又开槽后一定距离在年底前30米钻探。整个钻井和开槽后完成,它是用静压水冲洗。

图6
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图6。图孔跨膨胀封隔器的密封和施工工艺。(一)横向刻槽位;(B)在钻孔横开槽;(C)水力压裂的原理图。

钻井完成后,封孔机连接和安装。然后,手动泵被用来密封封洞,和密封压力不应少于10 Mpa。密封后,钻孔是观察和阀门关闭防止密封装置的水逆向流动。最后,高压软管和水泵用于安装、连接、调试等。

高压水力压裂,装备一个防爆开关是根据高压水喷射泵的电机功率运行泵。高压胶管和水泵出口短背的。后连接组件,每个连接的密封检查。后安装、连接、调试,注水钢管连接把洞封隔器预置的位置。相反的压裂法;即进行压裂的槽底部钻孔。在压裂之前,关节的密封条件检查。施工设备在压裂过程中所示表4

表4
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表4。主要施工设备。

压裂期间采取了安全措施。严禁人员通过压裂钻孔前防止注水管穿透钻孔和受伤的人。首先提供的高压水泵水,然后是动力。然后,缓慢加压。与此同时,泵的手动泵压力表和压力表数据记录。加压是一直持续到预制裂纹的开裂。此时,压力急剧下降。恒压注水连续裂纹扩展,与此同时,屋顶被削弱。根据现场压裂压裂时间确定的条件。是不少于30分钟的前三个裂缝,和不少于20分钟的裂缝。 Finally, the transverse cracks were formed along the direction of the crack. In the case of water leakage from the roadway roof, coal sides, or boreholes, the fracturing shall be stopped immediately. After the fracturing is completed, the high-pressure pump shall be powered off first and then the water shall be stopped. After the return valve of the high-pressure pump was closed, the shoot-through on the water injection steel pipe shall be removed. The remaining water in the hole packer shall be discharged.

6水力压裂效果

利用定向水力压裂结合长和短的水井,上方的屋顶煤层和岩层之间的结合力减弱,强度降低。可以直接反映在暂停的影响区域的屋顶和巷道的压力。

6.1对工作面减少水力压裂效果

根据监测数据和变化的曲线屋顶悬挂区(图7),工作面开采期间的最大悬顶面积能够满足小于4米×4米的要求,以及水力压裂的影响是显而易见的。

图7
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图7。在压裂吊顶长度的变化曲线。

根据集中矿压观测结果,屋顶坍塌,过剩地区采空区的有效控制,并有效降低了最高的安全保护双方的巷道和工作面。因为这项技术的实现了10多年,爆破迫使超过措施从未使用初始开采期间,和气体浓度在工作面和上角落里从来没有超过国家规定的上限。直接屋顶完全屈服于当工作面先进10 - 14 m在最初的采矿、屋顶的加权一步主要屋顶平均为30.1米,屋顶和周期性加权主屋顶的速度平均为16.5。

6.2矿山压力监测工作面巷道

可以看出在采矿巷道表面位移监测曲线的最大位移的双方是126毫米,最大位移的屋顶和地板是50毫米,两边的最大变形巷道171毫米,顶部和底部的最大变形和盘子是90毫米的作用下巷道变形。巷道变形仍由双边变形,其次是变形的屋顶和地板,而双方的变形是主要的变形在挖掘。变形的两个道路开始在大约50米先进采矿的脸,和变形的速度加速约20米的工作面。在工作面开采的最后阶段,变形不超过200毫米(图8)。

图8
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图8。在采矿巷道表面位移的曲线。(一)摄入气道;(B)返回气道。

在一般情况下,巷道的变形控制。结果表明,水力压裂技术可以有效地阻止侧向支承压力的转移巷道煤柱和工作面。

7结论

定向水力压裂的使用可以有效地扩大在屋面板裂缝。裂纹萌生和扩展的压力主要是与地应力有关。扩展范围是影响钻孔的位置在屋顶和压裂部分钻孔,以及主裂缝的发展程度在屋顶。

1)基于传统的线弹性断裂力学的理论分析和煤和岩石力学,剪切破坏的准则确定了横向裂缝的形成hydro-fractured原始煤岩体或自然裂缝。水力压裂是一个水力压裂形成的裂缝水压力作用于正常垂直于断裂表面达到一定压力后,这被认为是一个单纯的工字形的裂纹问题;考虑裂纹尖端的奇异性,凝聚力,以及煤岩裂缝表面的裂纹内部水泄漏,内部水压应该满足一些条件,液压开裂裂纹扩展的基本条件公式。

2)裂缝的形成主要包括垂直裂缝和extended-airfoil分支连接横向和纵向的裂缝。流体压力水的润湿作用下,煤和岩石的应力变化和力学参数被削弱,如压缩、拉伸和弹性模量等,从而实现结构转换和轻微的煤岩体的弱化。根据煤岩质量的双向应力,裂纹张开的最大主压应力。hydro-fracturing骑车过程中在煤岩体,主要断裂的形成的主要影响是直接的,而机翼的主要分支断裂的影响是间接的。

3)本文总结和分析了技术和水力压裂效果与硬顶在寺河矿二号井,已使用多年。证明这项技术的成功应用可以消除很多潜在安全隐患造成治疗困难的屋顶使用爆破方法。它提供了参考其他产煤国家控制困难的屋顶。然而,这项研究并没有监测水力压裂的影响范围和原岩应力的实时变化的围岩水力压裂过程中,这应该是后续研究的重点。

数据可用性声明

在这项研究中提出的数据集可以在网上找到存储库。库的名称/存储库和加入数量(s)中可以找到这篇文章/补充材料。

作者的贡献

JM:概念、方法原创作品草稿准备,和writing-review和编辑;霍奇金淋巴瘤:软件和验证;XG、英国《金融时报》和HG:调查和可视化。所有作者已阅读及同意发布版本的手稿。

资金

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(批准号52174230),中国博士后科学基金会(CN)(批准号2021 md703848),中央大学和基础研究基金(批准号2020 cxnl10)。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或那些出版商编辑和评论员。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

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关键词:煤层顶板、水力压裂裂缝扩展准则,强度因子

引用:李马J, H,郭郭X,田F和H(2022)控制水力压裂方法硬顶的长和短的水井。前面。板牙。9:1035815。doi: 10.3389 / fmats.2022.1035815

收到:2022年9月3日;接受:2022年11月29日;
发表:2022年12月19日。

编辑:

邹Quanle中国,重庆大学

审核:

Zhihui马中国,四川大学的科学和工程
Yongyu王武汉中国地质大学,中国

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