李耀謙 張 儉

(1.陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西省陽泉市，045000；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

隨著中國淺部煤炭開采殆盡，逐漸向深部區(qū)域延伸，瓦斯災(zāi)害問題越來越嚴(yán)重。瓦斯抽采是煤礦瓦斯災(zāi)害防治及瓦斯資源化利用的根本，而高瓦斯低滲透煤層透氣性差，瓦斯抽采難度大是世界性難題，嚴(yán)重制約中國深部煤炭資源高效開采。只有通過科學(xué)的增透手段，才能實(shí)現(xiàn)低滲透煤層煤與瓦斯共采的目標(biāo)。國內(nèi)外研究及實(shí)踐證明，對于低滲煤層，常規(guī)的鉆孔抽采方法效果不理想，無法實(shí)現(xiàn)高效瓦斯抽采，煤層卸壓增透是增加煤體滲透性的有效方法，因此，研發(fā)煤層高效卸壓增透技術(shù)對于高瓦斯低滲透煤層礦區(qū)具有必要性，對提高和促進(jìn)礦井的安全高效生產(chǎn)以及瓦斯資源化利用意義重大。

已有理論研究及現(xiàn)場應(yīng)用表明，高壓水力化措施能夠顯著提高煤體滲透性及鉆孔瓦斯抽采能力。煤層鉆孔切槽致裂增透技術(shù)的基本原理是采用水力切槽與水力壓裂聯(lián)合作用于致裂鉆孔，人為地改變鉆孔周圍煤體的應(yīng)力場、瓦斯流動場，同時(shí)使縫槽周圍煤體變形損傷，從而大幅提高目標(biāo)煤體的滲透率。現(xiàn)階段針對煤層切槽致裂增透技術(shù)在理論研究方面存在的不足，本文將系統(tǒng)研究切槽致裂增透機(jī)理及數(shù)值模擬不同條件下的煤層增透效果。

1 低滲透煤層切槽致裂增透機(jī)理分析

煤層鉆孔開挖前，煤體處于三向受壓的應(yīng)力環(huán)境，并處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)；鉆孔開挖后，破壞了圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布，通過在煤層鉆孔內(nèi)水射流切槽后煤體應(yīng)力場發(fā)生改變，鉆孔周圍卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)范圍顯著增大，通常情況下鉆孔的半徑約為50 mm，而孔內(nèi)水射流切槽半徑通?？蛇_(dá)500～800 mm。煤層鉆孔內(nèi)水力壓裂過程中，當(dāng)起裂壓力滿足高于煤巖體斷裂強(qiáng)度條件時(shí)，煤巖體將發(fā)生破壞損傷，并產(chǎn)生裂隙擴(kuò)展。在不考慮構(gòu)造及大裂隙弱面影響的情況，即在理想的條件下，只要起裂壓力足夠高，壓裂主裂縫將持續(xù)發(fā)展。

基于以上煤層鉆孔內(nèi)水射流切槽增透與水力壓裂增透的分析，提出了低滲煤孔內(nèi)切槽聯(lián)合水力壓裂控制增透工藝。水力壓裂鉆孔周圍分布水射流切槽鉆孔，先對水射流切槽鉆孔進(jìn)行切槽作業(yè)，在切槽圍巖應(yīng)力趨于穩(wěn)定后再進(jìn)行水力壓裂鉆孔的水壓致裂作業(yè)，切槽聯(lián)合水力壓裂控制增透模型見圖1。

圖1 煤層鉆孔內(nèi)切槽聯(lián)合水力壓裂控制增透模型示意圖

1.1 控制單元內(nèi)的切槽煤巖卸壓應(yīng)力場-損傷場的重構(gòu)效應(yīng)

通過切槽煤巖卸壓增透機(jī)制分析可知，鉆孔內(nèi)水射流切槽后，鉆孔周圍應(yīng)力場發(fā)生改變，特別是垂直于切槽面方向的應(yīng)力，將發(fā)生顯著改變；在采用孔群增透方法時(shí)，隨著切槽鉆孔煤體破壞及應(yīng)力向遠(yuǎn)離鉆孔中心的方向轉(zhuǎn)移，將改變相鄰的水力壓裂鉆孔周圍的原始應(yīng)力場。同時(shí)，切槽卸壓塑性區(qū)的形成，使得在控制單元內(nèi)形成宏觀裂隙弱面，卸壓塑性區(qū)周圍煤體由三向應(yīng)力改變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)，煤體抗壓拉強(qiáng)度降低。

煤層切割開槽后，煤巖體內(nèi)將產(chǎn)生二次應(yīng)力場σ′和應(yīng)變場ε′，σ′滿足：

(1)

式中：Vm——煤體所占的體積；

sk——邊界面s中裂隙所占面積；

nj——j方向的法向量。

1.2 水力壓裂導(dǎo)控與裂隙網(wǎng)構(gòu)建效應(yīng)

水力壓裂措施后控制單位內(nèi)煤巖應(yīng)力場發(fā)生改變，當(dāng)水力壓裂主裂隙擴(kuò)展至應(yīng)力集中區(qū)時(shí)，裂隙擴(kuò)展方向?qū)l(fā)生改變，當(dāng)主裂縫擴(kuò)展進(jìn)入切槽應(yīng)力集中區(qū)時(shí)，受切槽卸壓塑性區(qū)煤體損傷破壞的影響，根據(jù)裂隙沿裂隙弱面擴(kuò)展原理，切槽損傷弱面將導(dǎo)向水力壓裂主裂縫的擴(kuò)展，構(gòu)成水力壓裂主裂隙與切槽卸壓損傷場的連通，形成切槽與壓裂聯(lián)合的裂隙網(wǎng)絡(luò)。通過切槽致裂作用促使新生裂隙二次貫通突破切槽應(yīng)力集中區(qū)的瓶頸效果，從而大大提高目標(biāo)煤體周圍的滲透率。

根據(jù)Shi and Durucan有效應(yīng)力-滲透率方程，煤體卸壓區(qū)滲透率沿x向和y向表示為：

(2)

式中：kx、ky——沿x、y向滲透率，m2；

kx0、ky0——沿x、y向初始滲透率，m2；

σx1、σy1——沿x、y向應(yīng)力，MPa；

σx0、σy0——沿x、y向初始應(yīng)力，MPa；

cf——應(yīng)力影響系數(shù)。

從式(2)可知，當(dāng)應(yīng)力降低時(shí)，滲透率會增大；應(yīng)力增大時(shí)，滲透率降低。

基于煤體在加載損傷中的滲流特征試驗(yàn)分析可知，在全應(yīng)力-應(yīng)變過程中，煤體的滲透率先降低，然后快速增大至峰值應(yīng)力后再降低，因此，在未達(dá)到峰值應(yīng)力前，煤體裂紋擴(kuò)展或裂隙越發(fā)育，煤體滲透率越大。根據(jù)Poiseulle方程流量q為：

(3)

式中：m——微元內(nèi)含裂紋數(shù)目；

l——裂縫長度，m；

b——裂縫寬度，m；

L——煤體長度，m；

μ——滲流介質(zhì)粘度，Pa·s；

Δp——煤體兩端壓力梯度差，MPa。

由達(dá)西定律可知：

(4)

式中：A——裂縫截面面積，m2。

因此，煤層滲透率k為：

(5)

式中：k——煤層滲透率。

在假設(shè)裂紋的尺寸參數(shù)不變及應(yīng)力條件不變的情況下，煤體滲透率隨煤體損傷裂紋數(shù)量增大而增大。

2 煤層鉆孔切槽與水壓致裂裂隙演化規(guī)律分析

2.1 數(shù)值模型建立

數(shù)值模型按照平舒煤礦81115底抽巷區(qū)域82煤層賦存條件，采用RFPA-2D FLOW建立數(shù)值模擬，模擬分析煤層內(nèi)切槽致裂應(yīng)力-裂隙滲透率演化特征。模型沿走向長度取20 m，高度取15 m，煤層平均厚度3 m，從上到下由覆蓋巖層、煤層、底板巖層組成，如圖2所示。模型劃分成300×400共120000個單元。在模型頂部加8 MPa的均布載荷來等效上部400 m的巖層自重，側(cè)壓系數(shù)取1.5，即水平應(yīng)力為12 MPa。邊界條件為：兩端水平約束，可垂直移動；底端固定約束。煤巖體的力學(xué)及滲流參數(shù)見表1。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

表1 煤巖體力學(xué)及滲流參數(shù)表

為了對比分析單一增透措施(壓裂或切槽)和切槽致裂協(xié)同措施的卸壓增透效果，模擬試驗(yàn)分為單一壓裂措施、單一切槽措施、切槽和壓裂協(xié)同措施三組，如圖3所示。其中，壓裂鉆孔孔徑為0.2 m，切槽高度0.2 m，寬度0.8 m；其中切槽與壓裂協(xié)同作用時(shí)，切槽中心距壓裂孔中心間距為8 m。

圖3 模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2 單一壓裂方案下裂隙擴(kuò)展

單一壓裂方案下裂隙擴(kuò)展如圖4所示。在起裂階段，鉆孔周圍壓裂主裂隙沿著水平方向擴(kuò)展，由于初始最大主應(yīng)力沿水平方向，根據(jù)裂隙起裂擴(kuò)展與地應(yīng)力的關(guān)系，壓裂最初起裂方向?yàn)樗椒较颍鐖D4(a)所示；隨著裂隙形成，裂隙擴(kuò)展區(qū)域煤體應(yīng)力降低，裂隙擴(kuò)展前端出現(xiàn)應(yīng)力集中，圍巖應(yīng)力分布發(fā)生改變，此時(shí)的裂隙擴(kuò)展發(fā)生改變，復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)使得裂隙擴(kuò)展變得無序，即方向難以控制，如圖4(b)所示；隨著裂隙的無序擴(kuò)展，裂隙擴(kuò)展范圍增加，應(yīng)力卸載范圍增大，當(dāng)裂隙發(fā)育到頂?shù)装褰唤缛趺鏁r(shí)，裂隙擴(kuò)展沿著弱面發(fā)育，本模擬中主要沿著頂板面擴(kuò)展；當(dāng)裂隙擴(kuò)展到一定程度時(shí)，就進(jìn)入壓裂瓶頸期，這也與現(xiàn)場壓裂情況一致。

圖4 單一壓裂方案下煤體裂隙擴(kuò)展過程

圖5 切槽與壓裂協(xié)同作用下煤體裂隙擴(kuò)展分布

2.3 切槽協(xié)同壓裂方案下裂隙擴(kuò)展

切槽協(xié)同壓裂方案下的煤體裂隙擴(kuò)展如圖5所示，切槽完成后，縫槽周圍出現(xiàn)明顯的卸壓區(qū)，切槽端部出現(xiàn)應(yīng)力集中；由于縫槽的存在改變了壓裂鉆孔處應(yīng)力場分布，使得壓裂孔區(qū)域初始最大主應(yīng)力方向由沿水平方向變?yōu)檠刎Q直方向，導(dǎo)致在初始起裂階段，主裂隙沿著豎直方向擴(kuò)展如圖5(a)所示；隨著豎直方向裂隙形成，在裂隙上下尖端出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，裂隙擴(kuò)展方向逐漸發(fā)生改變，裂隙擴(kuò)展區(qū)域應(yīng)力降低，整體沿水平方向擴(kuò)展如圖5(b)所示；隨著裂隙發(fā)育到頂?shù)装褰唤缛趺鏁r(shí)，即沿著弱面發(fā)育；在壓裂過程中，煤體中水分不斷增加，使得煤體發(fā)生軟化，強(qiáng)度降低，割縫縫槽周圍煤體也逐漸發(fā)生破壞，形成弱面，最終誘使壓裂裂隙與切槽溝通如圖5(c)所示。切槽卸壓影響區(qū)與水壓致裂影響區(qū)連通后，形成較大范圍的卸壓面。

3 煤層鉆孔裂隙擴(kuò)展煤巖聲發(fā)射分布規(guī)律分析

不同卸壓增透方法的原理都是破壞煤體原始結(jié)構(gòu)，改變應(yīng)力場分布，弱化物理力學(xué)性質(zhì)，最終達(dá)到提高煤體透氣性和消突目的。當(dāng)煤體發(fā)生破壞時(shí)，其對應(yīng)的物理力學(xué)性質(zhì)也將降低，同時(shí)滲透性大大增強(qiáng)。因此，通過考察煤體破壞情況(聲發(fā)射情況)可以對比不同措施的效果。3種不同方案最終時(shí)刻聲發(fā)射情況如圖6所示，單一壓裂過程中，聲發(fā)射主要沿水平方向分布，分布較集中，主要位于主裂隙擴(kuò)展間斷區(qū)域；切槽面受尺度影響，聲發(fā)射時(shí)間不發(fā)育，僅存在于縫槽周圍，范圍較??；壓裂與切槽協(xié)同方案聲發(fā)射范圍連為一體，聲發(fā)射沿不同方向發(fā)散式分布，在切槽面與主裂隙擴(kuò)展區(qū)域聲發(fā)射較發(fā)育。

圖6 不同方案煤體聲發(fā)射情況

以上現(xiàn)象表明，切槽能夠有效影響壓裂鉆孔周圍應(yīng)力分布，改變主裂隙的擴(kuò)展方向，在主裂擴(kuò)展進(jìn)入切槽影響區(qū)時(shí)，在切槽的影響下形成裂隙的導(dǎo)向擴(kuò)展，并形成整體裂隙溝通區(qū)。

4 煤層增透鉆孔整體應(yīng)力分布特征

比較單一壓裂和壓裂切槽協(xié)同兩種方案的最大主應(yīng)力分布特征，研究區(qū)域如圖7所示，定義單一壓裂方案3條監(jiān)測線對應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)簽為Top1、Middle1、Bottom1，壓裂與切槽協(xié)同方案對應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)簽Top2、Middle2、Bottom2。

各個位置最大主應(yīng)力分布線如圖8所示，總體來看，在靠近煤層上部和下部，協(xié)同措施要明顯低于單一壓裂，卸壓效果較好；在煤層中部，單一壓裂要略低于切槽-壓裂協(xié)同措施，主要受切槽端的應(yīng)力集中，造成了局部應(yīng)力的增大；考慮到煤層卸壓增透措施的整體效果，切槽-致裂協(xié)同措施的卸壓效果要顯著單一壓裂。但是，從主應(yīng)力分布曲線也可以看出，在切槽遠(yuǎn)離壓裂鉆孔的一側(cè)，包括頂?shù)装鍏^(qū)域，出現(xiàn)了較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象，受數(shù)值模擬模型的限制，在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過布置多組壓裂鉆孔和切槽消除尖端效應(yīng)。

圖7 應(yīng)力監(jiān)測線性區(qū)域選擇圖

5 結(jié)論

(1)對切槽協(xié)同壓裂方案下的煤體裂隙擴(kuò)展過程的數(shù)值模擬結(jié)果表明，切槽改變了壓裂鉆孔處應(yīng)力場分布，改變主裂隙的擴(kuò)展方向，在主裂隙擴(kuò)展進(jìn)入切槽影響區(qū)時(shí)，在切槽的影響下形成裂隙的導(dǎo)向擴(kuò)展，能夠形成連通性更好的裂隙網(wǎng)絡(luò)。

(2)對比單一壓裂和壓裂切槽協(xié)同兩種方式的最大主應(yīng)力分布可知，在靠近煤層頂?shù)装鍏^(qū)域，切槽協(xié)同壓裂措施要明顯低于單一壓裂，在煤層中部，單一壓裂要略低于切槽-壓裂協(xié)同措施，總體而言，切槽-致裂協(xié)同措施的卸壓效果要明顯優(yōu)于單一壓裂。

圖8 單一壓裂與切槽致裂協(xié)同方式下煤層不同位置應(yīng)力分布