黃俊銳 王 博 黃廣偉

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

煤層掘進工作面超高壓定點水力壓裂防沖機理研究

黃俊銳 王 博 黃廣偉

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

針對煤層掘進或回采過程中發(fā)生的沖擊危險，提出了一種新的卸壓防沖措施——超高壓定點水力壓裂技術(shù)。理論研究認(rèn)為，水力壓裂防沖是壓裂與注水軟化煤層、壓裂降能、壓裂引起應(yīng)力轉(zhuǎn)移與應(yīng)力均化共同作用的結(jié)果；壓裂降能與壓裂注水能顯著降低煤層破壞時單位時間內(nèi)釋放的能量，從而降低沖擊危險程度；注水軟化、應(yīng)力轉(zhuǎn)移與應(yīng)力均化是一個相對緩慢的過程，實際應(yīng)用過程中應(yīng)提前安排施工時間。華豐煤礦現(xiàn)場試驗的成功，表明超高壓定點水力壓裂能起到預(yù)防沖擊危險的作用。

水力壓裂降能 應(yīng)力轉(zhuǎn)移 應(yīng)力均化 沖擊地壓

1738年英國南斯塔福煤田發(fā)生了世界上首次有記錄的沖擊地壓，該事故是當(dāng)今煤礦礦井中的重大災(zāi)害之一[1]。我國多煤少油缺氣的能源現(xiàn)狀決定了煤炭作為主要能源的局面將長期存在。隨著煤礦開采規(guī)模的不斷增大、開采深度不斷增加，我國目前已成為世界上沖擊地壓最為嚴(yán)重的國家之一[2-4]。截至2012年底，全國已有142個煤礦發(fā)生沖擊地壓[5-6]，每年由于沖擊地壓災(zāi)害造成大量的設(shè)備損壞、人員傷亡等事件，導(dǎo)致重大經(jīng)濟損失。在所有發(fā)生的沖擊地壓中，大部分發(fā)生在巷道，回采工作面則相對較少，在有些情況下，沖擊地壓同時發(fā)生在巷道和回采工作面。因此，做好掘進過程中的卸壓防沖工作意義重大。

經(jīng)過長時間的探索，現(xiàn)階段全世界在煤礦沖擊地壓理論研究與實際治理措施等方面都取得了不錯的成果。常用手段為煤層大直徑鉆孔卸壓、爆破卸壓、煤層注水等[7-9]。其中煤層注水預(yù)防沖擊地壓的方法簡單易行、防治費用低、適用性廣，已成為我國煤礦預(yù)防沖擊地壓的主要措施之一。我國雖然在治理沖擊地壓方面取得了不錯的成果，但是針對煤層掘進過程的防沖措施卻相對較少，因此本文提出采用超高壓定點水力壓裂技術(shù)，對煤層掘進工作面進行預(yù)防沖擊地壓機理的初步研究，為煤層掘進工作面超高壓水力壓裂預(yù)防沖擊地壓工藝參數(shù)選擇提供指導(dǎo)和依據(jù)，更有效地預(yù)防掘進過程中的沖擊地壓，避免災(zāi)害的發(fā)生，實現(xiàn)掘進前對沖擊危險區(qū)的卸壓解危處理。

1 煤層壓裂與油氣壓裂的區(qū)別

煤層掘進工作面超高壓定點水力壓裂技術(shù)是指通過在工作面前方預(yù)先打好的鉆孔內(nèi)，采用后退式分段定點壓裂方法(如圖1所示)，將前方煤體分割為較小的煤塊，達到預(yù)防沖擊危險的目的。其壓裂過程與傳統(tǒng)石油、頁巖氣的壓裂存在較大差異，主要表現(xiàn)為：①壓裂介質(zhì)，煤層壓裂主要發(fā)生在由頂?shù)装搴兔簩铀鶚?gòu)成的不均勻?qū)訝罱橘|(zhì)中，而油氣壓裂則大多發(fā)生在致密砂巖中；②壓裂范圍,煤層與頂?shù)装迦呓M成的相對獨立的壓裂結(jié)構(gòu)，決定了煤層壓裂過程大多發(fā)生在煤層內(nèi)，裂隙很難從煤層擴展到頂?shù)装?，而油氣壓裂則通常能達到幾百米的范圍甚至更遠；③壓裂孔布置方式,直接將壓裂孔布置在需要壓裂的煤層內(nèi)，大多呈水平方向，而油氣開采主要采用豎井壓裂；④起裂壓力,煤層自身屬性以及圍巖應(yīng)力條件與油氣壓裂環(huán)境的區(qū)別,決定了煤層的起裂壓力為20～35 MPa，而油氣起裂壓力通常在50 MPa 以上或者更高。

圖1 定點水力壓裂過程

2 壓裂防沖機理

2.1 壓裂注水作用

(1)壓裂作用。巖石力學(xué)研究表明，巖體單軸抗壓強度與單位體積內(nèi)存在的裂隙數(shù)成反比，裂隙越多，巖體強度越低。因此，當(dāng)煤體被壓裂以后，其單軸抗壓強度會明顯降低。根據(jù)現(xiàn)階段煤層沖擊傾向性的劃分認(rèn)為[10]，單軸抗壓強度σc>16 MPa為強沖擊傾向性煤層，單軸抗壓強度σc<16 MPa為弱沖擊傾向性煤層。因此，壓裂能明顯降低煤層沖擊傾向性等級。

(2)注水作用。根據(jù)煤層在不同含水率下反映出不同性質(zhì)的實驗室測定結(jié)果、現(xiàn)場試驗結(jié)果顯示，注水對煤體性質(zhì)的主要改變?yōu)椋航档兔后w單軸抗壓強度σc、煤層內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ、沖擊能量指數(shù)Ke、彈性能量指數(shù)Wet，增加煤體塑性，增長煤體動態(tài)破壞時間DT。一般認(rèn)為在煤層初始含水狀態(tài)下使煤層含水率增加1%～2%時效果最為顯著，通常能使煤層的沖擊類型降低一個等級。假設(shè)在發(fā)生沖擊危險時，煤體釋放的總能量等于煤體破壞前所積聚的所有能量U，而能量釋放時間等于煤體動態(tài)破壞時間DT，則單位時間內(nèi)釋放出的能量：

(1)

從式(1)可看出，注水后的煤層在單位時間內(nèi)釋放出的能量減少，即使發(fā)生沖擊災(zāi)害，可能也不會出現(xiàn)拋出煤體的情況，危害程度明顯減小。

2.2 壓裂降能

根據(jù)彈性力學(xué)可知，處于三向應(yīng)力狀態(tài)下體積為V的煤體彈性應(yīng)變能：

(2)

式中，σ1、σ2、σ3分別為煤體受到的3個方向主應(yīng)力；μ為煤體泊松比;E為煤體彈性模量。

由式(2)可知，在實際應(yīng)力條件一定的情況下，煤體聚集的彈性能與煤體塊度呈正相關(guān)。壓裂前煤層的完整性較好，只存在較少的原始裂隙，煤塊體積較大，易于集聚較大的能量，煤層被壓裂成煤塊后，能夠集聚能量的煤塊體積相比于煤層有很大程度的減小，即：

Umax=max(U1,U2,…,UB,…,Un)=UB

(3)

綜合壓裂與注水共同作用結(jié)果，將式(3)帶入式(1)，則有：

(4)

從式(4)可看出，壓裂與注水共同作用，使得煤層在發(fā)生破壞時單位時間內(nèi)釋放出的能量相比壓裂注水前大大降低，同時由于裂隙以及水的存在，導(dǎo)致相鄰裂隙面在較小的應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形甚至滑移，將能量消耗在煤層塑性變形過程中，基本不存在能夠引發(fā)沖擊危險的能量。煤層壓裂前后對比見圖2。

圖2 煤層壓裂前后對比

2.3 應(yīng)力轉(zhuǎn)移與應(yīng)力均化

在煤層開采巷道后，巷道圍巖必然出現(xiàn)應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力的升高是導(dǎo)致發(fā)生沖擊危險的主要原因。一般巷道兩側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)為2～3，有時則可能達到4～5，甚至更大。巷道兩側(cè)煤壁能夠提供的側(cè)向壓應(yīng)力幾乎為零，當(dāng)距離巷道較近的位置發(fā)生集中應(yīng)力時，巷道在內(nèi)部壓力作用下可能出現(xiàn)破壞。解決該問題的主要方法就是通過卸壓，讓應(yīng)力轉(zhuǎn)移到遠離巷道的位置，而壓裂注水則能起到這方面的作用。

煤體未壓裂注水以前，巷道周圍煤體承受應(yīng)力能力較強，應(yīng)力集中區(qū)與巷道距離為L1，注水壓裂后，煤體強度降低，支撐能力減弱，應(yīng)力集中區(qū)與巷道距離為L2。如圖3所示。

圖3 巷道兩側(cè)應(yīng)力轉(zhuǎn)移模型

根據(jù)巷道周圍應(yīng)力極限平衡條件，得

(5)

式中,m為采高;f為煤層與頂?shù)装彘g的摩擦因素;φ為內(nèi)摩擦角;N0為煤體支撐能力;σy為垂直應(yīng)力。

煤層內(nèi)摩擦角φ受水的作用而不斷減小，M值變大；煤體支撐能力N0隨壓裂注水過程而不斷降低，L值變大。即應(yīng)力集中區(qū)域隨壓裂注水的進行而不斷向遠離巷道的位置發(fā)展。同時水力壓裂導(dǎo)致掘進迎頭前方煤體的支撐能力下降，壓裂軟化后的煤層應(yīng)力集中程度降低，引發(fā)掘進迎頭沖擊危險的能量減小，因而在壓裂后的煤層中開展掘進工作發(fā)生沖擊危險的可能性降低。掘進工作面應(yīng)力前移見圖4。

圖4 掘進工作面應(yīng)力前移

假設(shè)轉(zhuǎn)移后的應(yīng)力集中區(qū)域仍然處于壓裂區(qū)內(nèi)且距離巷道較近的位置，此時在巷道兩側(cè)則仍然可能存在能量聚集區(qū)(如圖5(a))，該能量的釋放有可能破壞巷道。但是由于水的潤滑作用，壓裂煤層相鄰裂隙面之間的摩擦力很小，在較小的應(yīng)力作用下便發(fā)生塑性變形甚至產(chǎn)生滑移，最終在整個壓裂區(qū)內(nèi)可能出現(xiàn)應(yīng)力均化現(xiàn)象，如圖5(b)，不存在應(yīng)力集中區(qū)域，巷道兩側(cè)能量聚集區(qū)基本消失。應(yīng)力轉(zhuǎn)移與應(yīng)力均化的共同作用，降低了沖擊危險的可能。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

以山東華豐煤礦1412工作面為例，進行煤層超高壓水力壓裂試驗，運用礦山微地震監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)以及注水管路壓力監(jiān)測3種手段，綜合評價壓裂防沖效果。

圖5 巷道兩側(cè)應(yīng)力變化情況(圖4Ⅰ-Ⅰ剖面)

3.1 工作面概況與現(xiàn)場布置

工作面煤層平均厚度6.2 m，煤層傾角平均32°，采深為-1 130～-1 220 m。直接頂為2.5～9 m 的粉細砂巖，直接底為4.4 m厚的中砂巖。煤層自然含水率2%，孔隙率4.38%，節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面比較發(fā)育。壓裂孔布置在距離回采工作面220 m 處，1#壓裂孔孔深38.9 m，孔徑94 mm，2#、3#壓裂孔孔深60 m，孔徑65 mm，3個孔間距8 m，如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場壓裂孔布置示意

在3個壓裂孔內(nèi)前后共進行了4次超高壓水力壓裂試驗，1#孔試驗1次，2#孔試驗2次，3#孔試驗1次，其中以3#孔的壓裂試驗效果最佳。

3.2 3#試驗現(xiàn)象與監(jiān)測結(jié)果

3.2.1 現(xiàn)場試驗現(xiàn)象

在3#孔壓裂過程中，在鉆孔附近能聽見密集的煤層破裂的聲音，3#壓裂孔內(nèi)無水流出，整個封孔效果良好，壓裂約10 min，注入水量2 m3后，觀察到1#壓裂孔內(nèi)有水流出，如圖7所示，同時壓裂管路上的壓力計數(shù)值有明顯的變化。綜合試驗現(xiàn)象認(rèn)為壓裂裂隙發(fā)育良好，基本貫穿1#、3#壓裂孔之間的煤層，最終形成導(dǎo)流，整個壓裂半徑至少達到8 m左右，壓裂效果較好。

圖7 現(xiàn)場試驗現(xiàn)象

3.2.2 管路壓力監(jiān)測結(jié)果

煤層水力壓裂是“壓力上升—產(chǎn)生裂隙—壓力下降—繼續(xù)注水—壓力上升”的一個循環(huán)過程，在試驗現(xiàn)場可通過壓裂管路上壓力計數(shù)值的變化來判斷煤層是否壓裂。壓力傳感器記錄的壓力變化曲線如圖8所示。

圖8 壓裂管路壓力曲線

從壓力曲線可看出，注水時間4 min左右，注水壓力達到24 MPa左右時，壓力曲線出現(xiàn)第一次壓降(箭頭處)，此時為煤層開始產(chǎn)生裂隙的時間，在現(xiàn)場開始能聽到煤層破裂的聲音；在中間8 min內(nèi)(階段Ⅱ)壓力出現(xiàn)反復(fù)上升下降的變化過程，即煤層裂隙開始不斷向前發(fā)展；在后續(xù)3 min內(nèi)(階段Ⅲ)曲線出現(xiàn)較為規(guī)律的變化趨勢，此時煤層內(nèi)裂隙發(fā)展程度較高，注入的高壓水能較快的傳播到壓裂區(qū)域；最后階段(階段Ⅳ)壓力出現(xiàn)明顯下降，煤層內(nèi)不存在能夠維持高壓的閉合環(huán)境，裂隙從3#壓裂孔發(fā)展到1#壓裂孔，高壓水從1#孔內(nèi)流出。

3.2.3 微震監(jiān)測結(jié)果

水力壓裂過程中煤體破壞時產(chǎn)生微震事件，通過對比壓裂過程中與壓裂試驗前煤層中發(fā)生的微震事件數(shù)量、能量等參數(shù)，可以判斷煤層發(fā)生破裂程度。水力壓裂試驗前30 min內(nèi)，監(jiān)測到微震事件3次，總能量約5.66×103J；水力壓裂開始后的30 min內(nèi)，監(jiān)測到微震事件8次，總能量約16.41×103J。煤層在水力壓裂試驗開始后微震事件明顯增多，總能量明顯增大，說明煤體產(chǎn)生了較大程度的破裂。

3.2.4 兩側(cè)應(yīng)力變化

通過布置在壓裂孔兩側(cè)的應(yīng)力計監(jiān)測的應(yīng)力轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，對比壓裂前后應(yīng)力曲線變化，判斷應(yīng)力轉(zhuǎn)移現(xiàn)象是否發(fā)生，見圖9。

圖9 壓裂前后應(yīng)力曲線

對比圖9(a)、(b)應(yīng)力曲線可知，壓裂前應(yīng)力值基本處于7.48～7.49 MPa，變化幅度0.01 MPa左右，壓裂后兩側(cè)應(yīng)力從7.48 MPa變化為7.53 MPa，增加0.05 MPa。雖然變化絕對值不是很大，但變化幅度相比壓裂前有明顯提升，加上應(yīng)力轉(zhuǎn)移是一個相對緩慢的過程，兩側(cè)應(yīng)力的增加說明存在應(yīng)力轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。

現(xiàn)場試驗、壓裂管路壓力監(jiān)測、微震監(jiān)測、兩側(cè)應(yīng)力變化等結(jié)果表明，在試驗過程中煤體內(nèi)產(chǎn)生了大量裂隙，煤體的完整性受到破壞，存在壓裂區(qū)應(yīng)力向煤層深部轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，壓裂注水防沖效果較好。

4 結(jié) 論

(1)煤層超高壓水力壓裂防沖是壓裂與注水軟化煤層、壓裂降能、壓裂引起應(yīng)力轉(zhuǎn)移和應(yīng)力均化共同作用的結(jié)果。壓裂與注水改變煤體強度，降低煤層沖擊傾向性；壓裂作用降低煤體塊度，破壞煤體內(nèi)彈性能的儲存場所，降低煤層所能儲存的最大能量；應(yīng)力轉(zhuǎn)移與應(yīng)力均化使得引起沖擊危險的煤體向煤層內(nèi)部轉(zhuǎn)移或完全消失，從而達到防沖的目的。

(2)注水軟化煤層、應(yīng)力轉(zhuǎn)移與應(yīng)力均化是一個相對緩慢的過程，采用水力壓裂預(yù)防沖擊危險時應(yīng)根據(jù)實際工作計劃，提前安排試驗時間。

(3)華豐煤礦回采工作面超高壓水力壓裂試驗結(jié)果表明，該方法能夠起到壓裂防沖的效果，因此在掘進工作面采用該方法預(yù)防沖擊地壓是可行的。

(4)煤層超高壓水力壓裂預(yù)防沖擊危險尚處于試驗階段，此次試驗取得了初步成果，但其理論與技術(shù)仍需進一步完善。

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Research on the Mechanism of Extra-high Pressure Fixed-point Hydraulic Fracturing in Tunneling Face of Coal Seam for Rock Burst Prevention

Huang Junrui WangBo Huang Guangwei

(School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing)

Aiming at the rock burst in the processing of tunnelling or mining in coal seam, a kind of new pressure for relief scour and anti impact is proposed——extra-high pressure fixed-point hydraulic fracturing. Theoretical studies suggest that, hydraulic fracturing scour is the result of joint action by fracturing and water softening coal seam, fracturing reduces energy, fracturing causes stress transfer and stress averaging. Fracturing reduces energy and injection have a significant change in reducing the energy released per unit time when the coal is destructed so as to reduce the degree of rock burst; water softening, stress transfer and stress averaging is a relatively slow process, the construction time should be arranged in advance in the process of practical application. Successful field trials in Huafeng coal mine shows that the extra-high pressure fixed-point hydraulic fracturing can play the purpose of preventing rock burst.

Hydraulic fracturing reduce energy, Stress transfer, Stress averaging, Rock burst

2014-09-25)

黃俊銳(1989—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號。