韓 飛，孫 亮

(1.山西馬堡煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046300；2.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

0 引言

隨著我國(guó)煤礦產(chǎn)量增大，越來(lái)越多的煤礦將步入深部開(kāi)采，深部區(qū)域的煤層地應(yīng)力和瓦斯壓力卻很高，透氣性很差，致使礦井瓦斯抽采率低、鉆孔施工量大，嚴(yán)重影響礦井銜接和安全生產(chǎn)，因此高瓦斯低透氣性工作面的瓦斯高效抽采利用已成為關(guān)鍵性的技術(shù)難題[1-2]，而卸壓增透是解決此問(wèn)題的最佳途徑[3-4]。

目前井下常用的卸壓增透技術(shù)有水力化措施[5]、開(kāi)采保護(hù)層[6]、深孔預(yù)裂爆破[7]及液態(tài)CO2相變致裂爆破[8]。我國(guó)科研人員針對(duì)此難題開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究。何福勝等[9]通過(guò)在山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦18205材料巷開(kāi)展水力壓裂試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)水壓升高至16 MPa時(shí)有效影響半徑達(dá)到7 m，壓裂影響范圍內(nèi)煤層的透氣性系數(shù)提升14倍，瓦斯抽采濃度提高4.43倍，抽采純量提升9.62倍，抽采效果顯著提高。許江等[10]通過(guò)多場(chǎng)藕合煤層氣開(kāi)采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)水力壓裂全過(guò)程包括4個(gè)階段，即應(yīng)力積累階段、微破裂發(fā)育階段、裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展階段、破裂后階段；壓裂過(guò)程中水壓力場(chǎng)的演化跟裂縫的發(fā)育、擴(kuò)展有著密切的聯(lián)系，水力壓裂裂縫主要沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展。石欣雨等[11]采用原煤試樣開(kāi)展煤巖水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)及煤巖裂縫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于井下厚儲(chǔ)層，通過(guò)“分段—分壓”壓裂方式來(lái)構(gòu)造橫縱交織的裂縫網(wǎng)，可以顯著提高瓦斯的抽采效率，同時(shí)避免在含較多縱向原生裂縫及較大斷層的井壁位置布置射流孔，防止引起煤儲(chǔ)層頂?shù)装迨Х€(wěn)破壞，造成安全事故。吳擁政等[12]在余吾煤業(yè)公司S1206煤柱留巷瓦排巷開(kāi)展試驗(yàn)，壓裂結(jié)果證明，采用定向水力壓裂能有效消除或減弱堅(jiān)硬頂板形成的懸頂效應(yīng)，切斷護(hù)巷煤柱上部堅(jiān)硬厚頂板，將懸臂區(qū)自然冒落，減小煤柱和實(shí)體煤載荷，破壞應(yīng)力轉(zhuǎn)移和分配比例，提高留巷受力狀態(tài)，留巷變形顯著變小。

借助建設(shè)相似物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ停_(kāi)展三維相似模擬試驗(yàn)。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，揭示煤層水力壓裂時(shí)裂隙裂紋發(fā)育擴(kuò)展和注水壓力、煤體應(yīng)力的變化規(guī)律[13]，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況分析壓裂效果，為井下煤層卸壓增透、強(qiáng)化瓦斯抽采奠定基礎(chǔ)。

1 礦井概況

山西晉能集團(tuán)長(zhǎng)治公司馬堡煤礦8208綜采工作面位于井田8號(hào)煤層二采區(qū)，井下標(biāo)高+864～+942 m，最大垂深480 m。走向長(zhǎng)度為680 m(可采推進(jìn)長(zhǎng)度648 m)，傾向長(zhǎng)度為180～223 m，面積為121 543 m2。工作面東側(cè)為8206工作面采空區(qū)，西側(cè)、南側(cè)為實(shí)體煤，北側(cè)為采區(qū)三條下山。地面為山脈覆蓋，無(wú)村莊和公路等，地面標(biāo)高為+1 225～+1 440 m。

8208綜采工作面回采的煤層厚度穩(wěn)定，全區(qū)可采。屬太原組上部7#煤層之下，距7#煤層5.38～6.31 m，平均5.97 m，煤層厚度2.1 m，含0～1層夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可采性指數(shù)Km=1，變異系數(shù)為6%，屬全區(qū)穩(wěn)定可采之煤層。煤質(zhì)為特低灰-高灰、中高硫、特高熱值之焦煤。煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 8208工作面煤層頂?shù)装迩闆r

2 相似模擬試驗(yàn)裝置

2.1 裝置概況

實(shí)驗(yàn)箱體：設(shè)計(jì)長(zhǎng)方體試驗(yàn)箱體，材料選用厚度為10 mm的Q345鋼板焊接而成，容積大小(長(zhǎng)×寬×高)為500 mm×500 mm×600 mm。

加載系統(tǒng)：液壓千斤頂和返力架組成試驗(yàn)力學(xué)加載系統(tǒng)。液壓千斤頂?shù)牧砍虨?00 MPa，液壓缸的最大頂力為10 t；返力架選用厚度為10 mm的鋼板制作而成，周圍采用4根直徑為300 mm的螺桿支撐，其所能承受最大壓強(qiáng)為2 MPa。試驗(yàn)時(shí)給加載0.245 MPa載荷，相當(dāng)于上部500 m巖層自重。

實(shí)驗(yàn)水泵：試驗(yàn)用的水泵型號(hào)是JZ16-4.0/20，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用的水泵參數(shù)

2.2 相似材料的制作

選擇時(shí)間相似比St=30，容重相似比Sγ=1.38，幾何相似比Sl=30，應(yīng)力相似比Sσ=138的材料制作模型，具體參數(shù)見(jiàn)表3。通過(guò)千斤頂在模型上方施以載荷，來(lái)模擬上覆巖層應(yīng)力，參考試驗(yàn)箱體的尺寸，模擬現(xiàn)場(chǎng)煤巖體的尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為15 m×15 m×18 m。

表3 試驗(yàn)煤層相似材料參數(shù)

2.3 監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

為了更加準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)記錄壓裂過(guò)程中煤層頂?shù)装宓膽?yīng)力變化情況，以壓裂孔為核心，分別在頂?shù)装迕块g隔不同的半徑設(shè)置一個(gè)微型土壓力盒，接著把應(yīng)力盒數(shù)據(jù)線連接到Y(jié)E2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀上。具體設(shè)置方案如圖1所示：在煤層底板中壓裂孔的正下方布置C001的壓力盒，然后每間隔圓心2.5 cm設(shè)置C002、C003、C004、C005壓力盒。在煤層頂板中分別間距壓裂孔5 cm和10 cm布置C006和C007壓力盒。

a-頂板壓力盒布置；b-底板壓力盒布置圖1 頂?shù)装鍓毫胁贾?/p>

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 注水壓力

為研究壓裂時(shí)注水壓力的升高情況，共開(kāi)展兩次試驗(yàn)：①在模型上方未添加地應(yīng)力開(kāi)展壓裂試驗(yàn)；②在模型上方添加0.245 MPa地應(yīng)力開(kāi)展壓裂試驗(yàn)。通過(guò)研究分析在地應(yīng)力不等時(shí)，注水壓力與時(shí)間的變化規(guī)律，以得到壓裂過(guò)程中裂隙的發(fā)育規(guī)律。

a-模型上方未施加地應(yīng)力；b-模型上方施加0.245 MPa地應(yīng)力圖2 注水壓力的變化規(guī)律

根據(jù)注水壓力的升高情況，可將壓裂過(guò)程注水壓力大致劃分成3個(gè)階段，即應(yīng)力積累階段、裂隙起裂階段和裂隙擴(kuò)展階段，如圖2所示。如果地應(yīng)力對(duì)壓裂過(guò)程不產(chǎn)生影響，那么注水壓力升高速度較快。當(dāng)時(shí)間達(dá)到70 s時(shí)，原始裂隙開(kāi)始起裂發(fā)育；當(dāng)達(dá)到250 s，注水壓力開(kāi)始減小，裂隙開(kāi)始破裂擴(kuò)展延伸；當(dāng)時(shí)間到550 s時(shí)，注水壓力第2次減小直至趨于平穩(wěn)，這時(shí)裂隙擴(kuò)展延伸達(dá)到最佳狀態(tài)。為了模擬在工況條件下注水壓力與時(shí)間的變化情況，在模型上方添加0.245 MPa壓力，當(dāng)時(shí)間到130 s時(shí)，原始裂隙開(kāi)始發(fā)育；當(dāng)時(shí)間到400 s時(shí)，壓力開(kāi)始減少，裂隙開(kāi)始破裂擴(kuò)展；當(dāng)時(shí)間到900 s時(shí)，壓力再次減小，裂隙再次延伸擴(kuò)展；當(dāng)時(shí)間到1 500 s時(shí)，壓力減小到最小開(kāi)始保持平穩(wěn)，此時(shí)裂隙發(fā)育最好，破裂程度達(dá)到最大。試驗(yàn)結(jié)果證明：不存在地應(yīng)力時(shí)，注水壓力升高的更快。地應(yīng)力阻礙注水壓力的增長(zhǎng)和煤體破裂的速度，當(dāng)?shù)貞?yīng)力越大時(shí)，注水壓力升高與煤體破裂的速度就越慢。

3.2 煤層應(yīng)力

如圖3所示，壓裂前預(yù)先頂?shù)装逶O(shè)置各測(cè)點(diǎn)的微型土壓力盒，通過(guò)壓力盒監(jiān)測(cè)應(yīng)力與時(shí)間的變化情況，由圖3可發(fā)現(xiàn)，水力壓裂時(shí)壓裂孔周圍的應(yīng)力開(kāi)始轉(zhuǎn)移并開(kāi)始重新分布。具體如下：

壓力盒C001號(hào)布置在壓裂孔的正下方，壓裂開(kāi)始后，壓力盒C001號(hào)應(yīng)力值逐漸變大，在260 s時(shí)突然升高，達(dá)到最大，之后應(yīng)力值趨于平穩(wěn)。證明在壓裂開(kāi)始后260 s時(shí)，煤層產(chǎn)生裂隙，吻合于注水壓力和時(shí)間的變化規(guī)律。

壓力盒C007號(hào)與C005號(hào)均布置在距壓裂孔100 mm的地方，壓力盒C005號(hào)與C007號(hào)分別安設(shè)在煤層底板和煤層頂板上。在壓裂開(kāi)始后兩個(gè)壓力盒所測(cè)應(yīng)力值顯著增加，之后開(kāi)始緩慢趨于平穩(wěn)，且最終值高于其他應(yīng)力盒。原因是壓裂開(kāi)始后高壓水破裂壓裂孔周圍的煤體，打破了應(yīng)力平衡，將煤體的應(yīng)力向遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致在壓裂孔較遠(yuǎn)處的應(yīng)力值增大。

壓力盒C002號(hào)、C003號(hào)、C004號(hào)的設(shè)置在距離壓裂孔75 mm處，其應(yīng)力值在整個(gè)壓裂環(huán)節(jié)中降低幅度較小。證明該壓力盒的位置受到壓裂的影響，應(yīng)力值減小產(chǎn)生卸壓區(qū)。因此利用水力壓裂增透后，煤層的透氣性會(huì)得到顯著增加。

依據(jù)各應(yīng)力盒的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，由遠(yuǎn)及近可將壓裂孔附近煤體分為卸壓區(qū)、集中應(yīng)力區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，壓裂后煤體的應(yīng)力分布如圖4所示。

圖3 壓力盒所測(cè)應(yīng)力與時(shí)間的變化規(guī)律

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到水力壓裂的卸壓范圍是在距離注水孔75 mm區(qū)域，煤層注水后，高壓水驅(qū)動(dòng)地應(yīng)力，將煤體應(yīng)力轉(zhuǎn)移至深部區(qū)域，煤體的應(yīng)力變化與注水壓力變化基本吻合。

Ⅰ-卸壓區(qū)；Ⅱ-集中應(yīng)力區(qū)；Ⅲ-原巖應(yīng)力區(qū)圖4 壓裂后煤層應(yīng)力分布情況

3.3 裂隙擴(kuò)展規(guī)律

壓裂完成后，通過(guò)剖開(kāi)煤層斷面，研究裂隙發(fā)育情況、水的運(yùn)移軌跡。壓裂后水的運(yùn)移軌跡及裂隙發(fā)育情況如圖5所示。

從圖5中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)向水中加入滑石粉，水運(yùn)移到的范圍會(huì)留下明顯的白色痕跡，試驗(yàn)完成后壓裂孔附近留下顯著的裂隙。通過(guò)對(duì)比圖5(a)和圖5(c)得到，深度不同的煤層切面被滑石粉染色的程度明顯不同，距壓裂孔越近，出水孔處被染色的程度越顯著。因此得出水的運(yùn)移軌跡是以壓裂孔出水處為核心，不斷向外擴(kuò)展。從圖5(b)和圖5(d)得到，注水后壓裂孔周圍產(chǎn)生明顯的裂隙，裂隙以壓裂孔為中心不斷向外運(yùn)移，距注水孔越近，裂隙發(fā)育越完全。根據(jù)染色程度的不同，將裂隙區(qū)域分為3個(gè)等級(jí)：在40 mm區(qū)域內(nèi)染色程度最明顯，40～65 mm次之，65～80 mm染色程度最差。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在18205工作面切眼以內(nèi)200 m，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：注水孔卸壓區(qū)是75 mm范圍，通過(guò)計(jì)算實(shí)際卸壓區(qū)的半徑為2.25 m。注水孔布置如圖6所示：18205工作面本煤層鉆孔間距為8 m，在兩個(gè)鉆孔間再施工兩個(gè)注水孔，注水孔間距為4 m，注水孔與抽采孔相距2 m。抽采孔和注水孔的施工參數(shù)：注水孔孔長(zhǎng)為50 m，抽采孔孔長(zhǎng)為90 m，鉆孔直徑為113 mm，開(kāi)孔高度為1.5 m。正常抽采鉆孔布置如圖6(a)所示，壓裂注水抽采如圖6(b)所示。

a-正常抽采鉆孔布置；b-壓裂注水抽采圖6 注水孔布置示意圖

通過(guò)分析壓裂后的瓦斯抽采效果來(lái)合理改變注水孔的布置方案。注水孔位置優(yōu)化后，本煤層抽采鉆孔瓦斯的抽采濃度和流量顯著增大，優(yōu)化后瓦斯?jié)舛缺３衷?0%以上，比正常壓裂時(shí)增加20%；抽采流量保持在0.04 m3/min，比正常壓裂提高40%，具體如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果顯著改善了瓦斯抽采效率，確保工作面安全高效回采，同時(shí)未額外提高壓裂費(fèi)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

a-瓦斯抽采濃度對(duì)比；b-瓦斯抽采流量對(duì)比圖7 采效果分析

4 結(jié)論

(1)根據(jù)水力壓裂過(guò)程中注水壓力的變化情況推斷周圍煤體的破裂過(guò)程，當(dāng)注水壓力降低時(shí)，煤體的原生裂隙發(fā)生破裂；當(dāng)注水壓力趨于穩(wěn)定時(shí)，煤體的裂隙破裂達(dá)到最大。注水壓力的升高和煤體破裂的速度與地應(yīng)力大小有直接關(guān)系，當(dāng)?shù)貞?yīng)力升高時(shí)，注水壓力的升高與煤體破裂的速度開(kāi)始減小。依據(jù)注水壓力變化情況，壓裂過(guò)程包括應(yīng)力積累階段、裂隙起裂階段和裂隙擴(kuò)展延伸階段。

(2)煤體的應(yīng)力與注水壓力同步發(fā)生變化，距注水孔75 mm范圍是水力壓裂的卸壓區(qū)域，注入高壓水后，煤體應(yīng)力轉(zhuǎn)移到深部區(qū)域，應(yīng)力集中區(qū)是在距離壓裂孔100 mm的頂?shù)装濉?/p>

(3)壓裂結(jié)束后，通過(guò)觀察分析水的運(yùn)移軌跡，發(fā)現(xiàn)距注水孔越近的區(qū)域煤體染色程度越顯著，由此得出裂隙是在注水孔周邊裂隙發(fā)育良好，以其為中心源源不斷向外運(yùn)移、延伸。通過(guò)判別注水孔周圍煤體顏色變化情況，得到裂隙發(fā)育最好的范圍是以注水孔為中心的40 mm半徑區(qū)域內(nèi)。

(4)通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果，將水力壓裂技術(shù)應(yīng)用于馬堡煤礦8208工作面切眼以內(nèi)200 m。通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前、后的鉆孔抽采瓦斯效果。應(yīng)用結(jié)果表明：優(yōu)化后的瓦斯抽采效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于常規(guī)致裂的瓦斯抽采效果，瓦斯?jié)舛韧瘸Ｒ?guī)壓裂提高了20%；鉆孔抽采流量同比常規(guī)壓裂提高了40%，有效地消除了回采初期工作面存在的瓦斯隱患。