煤矿瓦斯(煤层气)是优质清洁能源,加速发展煤矿瓦斯抽采产业发展具有保障国家能源安全、优化能源结构、降低煤矿瓦斯事故、实现国家温室气体减排等重要意义。目前,我国煤矿井下瓦斯以钻孔抽采为主,由于高瓦斯低透气性煤层具有煤层赋存复杂多变、微孔隙、低渗透、瓦斯高吸附等特征,瓦斯抽采难度大,常规卸压增透技术效果不明显,严重制约着矿井安全生产和资源利用。脉动水力压裂技术的出现为矿井瓦斯高效抽采提供了一条新的途径。然而,脉动水力压裂作用下煤体裂隙演化规律的基础研究明显滞后于工程应用,亟待进一步研究和完善。本文以脉动水力压裂技术的工程应用为背景,采用理论分析、物理实验、数值模拟等方法,开展脉动载荷下裂隙演化机制、脉动频率和脉动压力控制下裂隙演化规律等研究,取得的主要研究成果如下:(1)揭示了脉动载荷下煤体破裂及裂隙演化机制。脉动载荷作用下,试件被“层层剥落”,裂隙经历了闭合-线性变形-稳定扩展的非线性变形-加速扩展至试件破裂,扩展速度远小于静压载荷。试件出现塑性应变,力学强度降低,微小裂隙得到充分扩展和沟通,细观裂隙参与破裂过程,形成多个破裂面,试件内部形成较好的裂隙网络。脉动载荷的峰值载荷为静压载荷的85%。(2)研制了脉动变频加载及煤体致裂实验系统。主要包括脉动压力发生及变频系统、真三轴加载系统、压力及流量控制系统、监测系统4个子系统,具有脉动频率无极调速、大尺寸试件真三轴应力加载、裂隙演化过程可控及参数可测等功能,可开展不同地应力、加载方式、脉动参数等条件下煤体裂隙演化实验,为脉动水力压裂的实验室研究奠定了基础。(3)探索了脉动频率在煤体裂隙演化中的作用机制。理论分析了脉动载荷下煤岩体的疲劳损伤机理,开展了固定频率和变频的脉动水力压裂物理实验,结果表明,低频时,试件被“软化”,起裂压力和裂隙扩展速率降低,微小裂隙得到发育和扩展,裂隙破裂面复杂;高频时,压力幅值大,起裂压力和裂隙扩展速率升高,裂隙形态单一。根据研究成果,提出了变频脉动加载方式,提高裂隙演化效果。(4)探索了脉动压力控制下煤体裂隙演化机制。理论分析了脉动载荷作用下裂隙起裂及延伸规律,认为,在动态的脉动载荷作用下,裂隙起裂和延伸随机性增强,裂隙演化更加复杂。数值模拟验证了以上结论,发现,相对于静压载荷,脉动载荷作用下裂隙数量增加了20%以上,起裂压力降低了85%以上;脉动压力幅值对裂隙数量、起裂压力等有一定的影响。物理实验进一步表明,降低裂隙脉动压力幅值能够提高微小裂隙的起裂、扩展。根据研究成果,提出了基于脉动压力控制的裂隙演化控制方式,促进裂隙网络的形成。基于以上研究成果,建立了以促进煤体裂隙网络形成为目标的脉动水力压裂技术体系,工业性试验表明,脉动水力压裂技术实施后,瓦斯抽采浓度提高了2.22倍以上,瓦斯抽采流量提高了2.63倍以上,钻孔施工量减少了58%,工作面瓦斯解吸指标K1降至临界值以下,保证了巷道安全掘进。上述研究成果对完善脉动水力压裂煤体致裂机理、优化脉动水力压裂技术参数、提高脉动水力压裂增透增产效果等方面具有重要的理论和现实意义。