煤層水力壓裂裂縫擴(kuò)展演化特征及瓦斯?jié)B流規(guī)律研究

秦 毅

（霍州煤電集團(tuán)河津杜家溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 043300）

引言

煤炭作為我國(guó)的基礎(chǔ)能源，資源儲(chǔ)量豐富，但整體覆存不均，在我國(guó)煤礦開(kāi)采過(guò)程中，瓦斯問(wèn)題一直制約著我國(guó)煤礦的正常生產(chǎn)，目前我國(guó)對(duì)煤礦瓦斯的治理主要是通過(guò)采排，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于煤層覆存條件較為復(fù)雜，巖層的滲透率較低，使得瓦斯抽采難度極大，所以如何提升低滲透煤層瓦斯抽采效率是礦井面臨的重要課題。水力壓裂作為水力化措施中增加煤層透氣性的一種有效方法，通過(guò)對(duì)煤巖進(jìn)行鉆孔并封堵，后利用高壓水對(duì)鉆孔進(jìn)行注水，使得鉆孔出現(xiàn)壓裂裂縫，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展形成裂縫網(wǎng)，從而提升煤巖孔隙率，從而實(shí)現(xiàn)高效抽采的目的，此前眾多學(xué)者對(duì)注液壓力、水平應(yīng)力差等水力壓裂參數(shù)下裂縫的擴(kuò)展形態(tài)及裂縫參數(shù)進(jìn)行過(guò)一定的研究。本文以杜家溝礦2104 工作面為研究背景，利用RFPA 模擬軟件對(duì)水力壓裂參數(shù)對(duì)壓裂效果影響進(jìn)行研究，為低滲透煤層瓦斯抽采提供一定的借鑒[1-2]。

1 礦井概況及數(shù)值模擬研究

杜家溝礦位于河津市清澗鎮(zhèn)杜家溝村西北約3km處，井田面積9.89 km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.60 Mt/a。現(xiàn)在主要開(kāi)采山西組2#和太原組10#煤層，2# 煤層2.45 m～4.80 m，平均厚度3.59 m，屬賦煤區(qū)穩(wěn)定可采煤層，煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖組成，2104 工作面回采期間工作面瓦斯異常涌出，回采最大絕對(duì)涌出量為1.89 m3/min，瓦斯抽采效率較低，為此研究低滲透瓦斯抽采非常重要。

在地應(yīng)力的作用下往低滲透煤層進(jìn)行注水，使得巖石內(nèi)部形成較大的能量聚集，能量聚集量一旦超過(guò)巖層破裂壓力時(shí)，此時(shí)產(chǎn)生裂縫。裂縫按照其起裂形式的不同可分為水平裂縫和垂直裂縫，本文利用RFPA 軟件對(duì)裂縫起裂進(jìn)行研究，進(jìn)行模型的建立，RFPA 數(shù)值模擬軟件建模過(guò)程相對(duì)較為簡(jiǎn)單，首先進(jìn)行模型的尺寸設(shè)計(jì)，考慮到應(yīng)力的施加及形狀對(duì)擴(kuò)展的影響較小的情況選定模型長(zhǎng)寬分別為20 000 mm×20 000 mm 的模型，在模型的內(nèi)部開(kāi)挖一個(gè)直徑為100 mm 的圓孔，用于注液，完成模型的建立后對(duì)模型的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到模擬計(jì)算速度所以選定網(wǎng)格尺寸為200 mm×200 mm，模型的網(wǎng)格共有10 000 個(gè)，完成網(wǎng)格劃分后對(duì)模型的物理屬性進(jìn)行設(shè)置[3-4]。物理參數(shù)設(shè)定，如表1 所示。

表1 模擬物理參數(shù)對(duì)照表

模型的破壞模型選定為摩爾庫(kù)倫模型，對(duì)模型的四周施加應(yīng)力載荷，水平及垂直方向應(yīng)力差為0.5 MPa，模型鉆孔內(nèi)部設(shè)置值初始的水壓為1 MPa，限制模型四周的移動(dòng)，完成模型設(shè)立后，對(duì)不同注液壓力下的模型壓裂進(jìn)行研究，不同注液壓力下模擬云圖，如圖1 所示。

圖1 不同注液壓力壓裂圖

如圖1 所示，不同注液壓力下裂縫的擴(kuò)展形態(tài)是不同的，當(dāng)注液壓力為1.5 MPa 時(shí)，此時(shí)的裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度較短，此時(shí)由于內(nèi)部能量聚集較低，裂縫起裂瞬間釋放的能量較少，使得巖石的裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度較低，而當(dāng)注液壓力增大至2.5 MPa 時(shí)，此時(shí)的裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度增加不明顯，裂縫擴(kuò)展的方向?yàn)檠刂畲笾鲬?yīng)力方向，當(dāng)注液壓力增大至4 MPa 時(shí)，此時(shí)的裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度較1.5 MPa 和2.5 MPa 時(shí)有了明顯的增強(qiáng)，裂縫的起裂位置仍沿著最大主應(yīng)力方向，這是由于注液壓力的作用使得鉆孔發(fā)生起裂，由于最大水平應(yīng)力的限制使得巖石起裂沿著更容易發(fā)生的方向產(chǎn)生即平行于最大主應(yīng)力方向。同時(shí)通過(guò)對(duì)比發(fā)生注液壓力越大，裂縫擴(kuò)展速度越快及擴(kuò)展的長(zhǎng)度越長(zhǎng)[5-6]。

對(duì)不同巖石彈性模量下巖石的起裂特性進(jìn)行研究，選定注水壓力為4 MPa，選定彈性模量分別為30 000、35 000、40 000 MPa，壓裂圖，如圖2 所示。

圖2 不同彈性模量下巖石壓裂圖

從圖2 可以看出，在不同彈性模量下相巖石裂縫的擴(kuò)展呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，當(dāng)彈性模量為30 000 MPa時(shí)，此時(shí)巖石內(nèi)部裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度明顯大于彈性模量35 000 MPa 和40 000 MPa，這是由于在相同的注液壓力下，巖石內(nèi)部能量的聚集程度大致相同，此時(shí)增大巖石的彈性模量使得相同裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度下需要的能量逐步增大，所以相同能量下的巖石裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)[7-8]。

2 水力壓裂技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

通對(duì)杜家溝礦2104 工作面進(jìn)行水力壓裂實(shí)驗(yàn)，壓裂系統(tǒng)是由水箱、壓力表、壓裂泵組、溢流閥及封孔器等組成，首先進(jìn)行巖層的鉆孔，鉆孔完成后對(duì)孔進(jìn)行封閉處理，完成封閉后對(duì)鉆孔進(jìn)行注漿，完成注漿壓裂后對(duì)瓦斯進(jìn)行抽排，測(cè)得壓裂前后瓦斯抽采量，驗(yàn)證水力壓裂增透技術(shù)的可行性。首先對(duì)鉆孔進(jìn)行布置，在距離皮帶巷30 m 的位置布置壓裂鉆孔1，觀(guān)測(cè)孔位于壓裂鉆孔周邊30 m 的位置，測(cè)試孔為未受水力壓裂影響鉆孔，用于對(duì)比驗(yàn)證，不同孔下的瓦斯抽采流量圖，如圖3 所示。

圖3 不同孔下的瓦斯抽采流量圖

如圖3 所示可以看出，瓦斯抽排混流量隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)，這是由于隨著抽采時(shí)間的增大，巷道內(nèi)瓦斯含量逐步降低，所以抽采出的瓦斯量也呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，觀(guān)察測(cè)試孔發(fā)現(xiàn)，由于煤層屬于低滲透煤層，所以在未進(jìn)行水力壓裂技術(shù)處理時(shí)，瓦斯抽采混流量較低，最大值為0.32 m3/min，此時(shí)的巷道內(nèi)瓦斯問(wèn)題仍然很突出，經(jīng)過(guò)水力壓裂處理后，此時(shí)巷道瓦斯抽采混流量為3 種鉆孔中的最大值，此時(shí)的抽采混流量最大值為2.9 m3/min，此時(shí)抽采的混流量是未經(jīng)水力壓裂增透時(shí)的9 倍多，由于經(jīng)過(guò)水力壓裂處理，使得煤層內(nèi)部裂縫眾多，低滲透煤層的通透性提升，所以瓦斯抽采的效果最佳，觀(guān)測(cè)孔由于靠近水力壓裂鉆孔，所以經(jīng)過(guò)水力壓裂處理后，裂縫出現(xiàn)擴(kuò)展，裂縫擴(kuò)展會(huì)延伸到觀(guān)測(cè)孔附近，所以觀(guān)測(cè)孔的瓦斯抽采混流量趨于測(cè)試孔與壓裂孔之間。所以經(jīng)過(guò)水力壓裂后低滲透煤層的瓦斯抽排效果明顯較佳，水力壓裂對(duì)低滲透煤層增透技術(shù)可行[9-10]。

3 結(jié)語(yǔ)

1）杜家溝礦采用數(shù)值模擬軟件以2104 工作面未工程背景對(duì)不同注液壓力下的巖石壓裂圖進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，隨著水力壓裂注液壓的增加，巖石裂縫擴(kuò)展速度越快且擴(kuò)展的長(zhǎng)度越長(zhǎng)。

2）對(duì)不同彈性模量下的巖石壓裂圖進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，隨著巖石彈性模量的增加，在注液壓力一定時(shí)，巖石壓裂裂縫的擴(kuò)展長(zhǎng)度越短。

3）對(duì)水力壓裂低滲透煤層增透技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)水力壓裂后低滲透煤層的瓦斯抽排效果明顯較佳，水力壓裂對(duì)低滲透煤層增透技術(shù)可行。