梁新潮

(山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司， 山西 呂梁市 033000)

0 引 言

我國是煤炭消耗大國，自解放以來，我國生產(chǎn)煤炭資源 400多億 t。隨著煤炭資源的大量回采，淺埋深煤炭資源已趨于殆盡，煤炭企業(yè)不得不向深部開采，深部開采面臨“三高一低”的困擾，特別是煤層的低透氣性，給瓦斯抽采帶來極大困難。因此，高瓦斯低透氣性工作面增透技術(shù)是目前亟待解決的問題，而卸壓增透是解決該問題的最佳方式[1-4]。

對(duì)于卸壓增透技術(shù)，國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。胡其志[5]等采用水力壓裂技術(shù)對(duì)高瓦斯低滲透性煤層段掌子面煤層進(jìn)行分析，研究了煤層裂隙的起裂原因和裂隙發(fā)育過程，研究結(jié)果表明，水力作用下，煤體主要受壓剪破壞，剪應(yīng)力隨著水壓的增加而增加，數(shù)值模擬與實(shí)際情況相差較小；龐成[6]采用水力壓裂技術(shù)在白皎煤礦進(jìn)行試驗(yàn)分析，分析了水力壓裂的力學(xué)機(jī)制并在巷道中進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。壓裂后，有效半徑得到有效提高，瓦斯抽采純量提高了約7倍，鉆孔施工量和抽采時(shí)間大幅降低；鄭迅[7]采用深孔爆破技術(shù)對(duì)高瓦斯 22240工作面進(jìn)行了試驗(yàn)研究。闡述了深孔爆破治理瓦斯的機(jī)理，實(shí)踐表明深孔爆破治理瓦斯是可行的；黃磊[8]等采用松動(dòng)爆破技術(shù)對(duì)隧道高壓力區(qū)進(jìn)行研究，并采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)爆破效果進(jìn)行模擬分析，研究結(jié)果表明，圍巖損傷區(qū)破碎程度加大且范圍進(jìn)一步擴(kuò)大；張建軍[9]等采用CO2爆破技術(shù)對(duì)低滲透煤層進(jìn)行爆破松動(dòng)，闡述了其爆破機(jī)理以及裝置作業(yè)過程，爆破結(jié)果表明，沖擊波能量隨著傳播距離的增加而降低，沖擊波衰減為應(yīng)力波，煤體受到壓縮變形，形成徑向裂隙，液態(tài)CO2爆破最終形成以爆破孔為中心的粉碎區(qū)、破裂區(qū)和震動(dòng)區(qū)3個(gè)區(qū)域；李軍軍[10]等采用 N2震動(dòng)技術(shù)對(duì)煤層氣井儲(chǔ)層進(jìn)行改造，并研制了氮?dú)庹饎?dòng)壓裂解堵工藝井下工具串并進(jìn)行了應(yīng)用。研究結(jié)果表明，井下工具串可實(shí)現(xiàn)震動(dòng)、釋放、壓力監(jiān)測3項(xiàng)內(nèi)容，壓裂效果較好。

以上學(xué)者對(duì)低透氣性煤層壓裂多采用松動(dòng)爆破、水力壓裂、二氧化碳?jí)毫?、氮?dú)鈮毫?種技術(shù)進(jìn)行增透，本文采用數(shù)值模擬軟件基于壓裂破壞準(zhǔn)則對(duì)水力壓裂裂隙發(fā)育特征進(jìn)行研究。

1 水力壓裂模型

1.1 本構(gòu)關(guān)系

采用RFPA對(duì)水力壓裂裂隙特征進(jìn)行模擬。首先對(duì)模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，?dāng)每個(gè)單元達(dá)到破壞強(qiáng)度時(shí)，水力壓裂過程中，破壞形式主要分為壓縮和拉伸破壞。損傷彈性模量為：

式中，E為損傷單元的彈模，GPa；D為損傷變形量；Ew為單元無損傷情況下的彈模，GPa。

水力壓裂單元損傷準(zhǔn)則遵循摩爾庫倫準(zhǔn)則。

式中，F(xiàn)為徑向方向的剪應(yīng)力，MPa；σ1為徑向方向上的最大主應(yīng)力，MPa；σ3為徑向方向上最小主應(yīng)力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）。

1.2 模型建立

試驗(yàn)以山西某煤礦作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷V井，建立20 m×10 m的實(shí)際模擬模型，對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行單元格劃分，劃分為400×200的單元格模型。以圓形代表壓裂鉆孔，其半徑選擇為0.06 m。在模型周圍施加15 MPa的初始應(yīng)力，并在垂直方向上施加煤巖體產(chǎn)生的重力作用，大小為20.3 MPa。水力壓裂的初始?jí)毫υO(shè)置為9.0 MPa，之后每開挖一步增加壓力為0.2 MPa，共開挖50步。模型內(nèi)聚力為0.19 MPa，滲透系數(shù)為7.83×10-4m·d-1，煤層瓦斯壓力為0.18 MPa，抗壓強(qiáng)度為11.4 MPa，泊松比為0.24。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 裂隙發(fā)育特征

不同水壓下數(shù)值模擬裂隙分布特征結(jié)果如圖 1所示。

圖1 數(shù)值模擬裂隙分布特征

由圖1可知，隨著水壓力的增大，裂隙不斷增多，同時(shí)，在鉆孔邊緣的水壓一直處于高水壓狀態(tài)。隨著注水壓力的不斷增大，壓力逐漸向遠(yuǎn)處分布，裂隙不斷生成，生成的裂隙在水壓力的作用下不斷擴(kuò)展，在此狀態(tài)下，裂隙不斷產(chǎn)生和擴(kuò)展，水壓的分布也隨著鉆孔逐漸向外不斷擴(kuò)大，當(dāng)水壓增大到15 MPa時(shí)，壓裂鉆孔產(chǎn)生了破壞。鉆孔內(nèi)部煤體由于失穩(wěn)而成弱面，由于煤層的失穩(wěn)作用，水壓不在向外部擴(kuò)張，在水壓力作用下，產(chǎn)生了一系列的弱面結(jié)構(gòu)，最后由弱面結(jié)構(gòu)和裂隙形成了縱橫交錯(cuò)的裂隙網(wǎng)絡(luò)，為抽采瓦斯的運(yùn)移提供了通道[5-11]。

2.2 應(yīng)力分布特征

不同水壓下數(shù)值模擬壓力分布特征結(jié)果如圖 2所示。

圖2 數(shù)值模擬壓力分布特征

由圖2可知，隨著壓力的不斷增大，鉆孔周圍壓力也不斷向外擴(kuò)張，當(dāng)注水壓力達(dá)到15 MPa時(shí)，徑向方向上最大主應(yīng)力繼續(xù)向外擴(kuò)張，徑向方向上最大剪應(yīng)力繼續(xù)增大，同時(shí)，伴隨壓力的增大是裂隙裂紋不斷擴(kuò)張。說明，增大水壓能夠增大裂隙產(chǎn)生范圍，且裂隙數(shù)量較多。

3 現(xiàn)場應(yīng)用分析

3.1 鉆孔布置

將水力壓裂結(jié)果應(yīng)用到該煤礦上，觀測孔間距為9 m，壓裂孔間距為9 m，檢測孔與壓裂孔交錯(cuò)布置，壓裂孔與檢測孔長度為50 m，檢測孔封孔長度為10 m，壓裂孔封孔長度為25 m，為了實(shí)驗(yàn)過程中安全，將水力壓裂水壓設(shè)置為15 MPa。

3.2 壓裂效果

（1）瓦斯抽采。通過對(duì)比非壓裂區(qū)域和壓裂區(qū)域瓦斯抽采濃度，在非壓裂區(qū)域抽采濃度由高濃度變?yōu)榈蜐舛?，瓦斯由最高?4.3%降低到11.2%，而在壓裂區(qū)域隨著瓦斯的不斷抽采，瓦斯抽采濃度多集中在24.2%左右，能夠持續(xù)較長時(shí)間，經(jīng)分析，非壓裂區(qū)域由于裂縫較小，當(dāng)抽采后，裂縫中游離狀態(tài)的瓦斯被抽采出去，而吸附狀態(tài)下的瓦斯無法被抽出，因此，隨著抽采時(shí)間的不斷延長，瓦斯抽采濃度會(huì)不斷降低，而壓裂區(qū)域，由于壓裂作用產(chǎn)生新的裂隙，并且吸附狀態(tài)下的瓦斯變?yōu)橛坞x狀態(tài)的瓦斯，在抽采的不斷作用下，瓦斯源源不斷地向抽采孔流動(dòng)，瓦斯抽采濃度保持高位狀態(tài)。

（2）煤層透氣性。壓裂結(jié)束后對(duì)壓裂后的煤層透氣性進(jìn)行測試分析，發(fā)現(xiàn)煤層透氣性由壓裂前的0.079 m2/(MPa2·d)升高到壓裂后的 1.32 m2/(MPa2·d)，煤層透氣性系數(shù)提高了 16.7倍，保證了瓦斯抽采效果。

4 結(jié) 論

基于水力壓裂本構(gòu)模型，采用RFPA數(shù)值模擬軟件對(duì)水力壓裂后的裂隙分布特征和壓力分布特征進(jìn)行模擬研究，并根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行了應(yīng)用分析，得出以下結(jié)論：

（1）隨著水壓力的增大，裂隙不斷增多，同時(shí)，在鉆孔邊緣的水壓一直處于高水壓狀態(tài)。隨著注水壓力的不斷增大，壓力逐漸向遠(yuǎn)處分布，裂隙不斷生成，生成的裂隙在水壓力的作用下不斷地?cái)U(kuò)展。

（2）隨著壓力的不斷增大，鉆孔周圍壓力也不斷向外擴(kuò)張，當(dāng)注水壓力達(dá)到15 MPa時(shí)，徑向方向上最大主應(yīng)力繼續(xù)向外擴(kuò)張，徑向方向上最大剪應(yīng)力繼續(xù)增大。增大水壓能夠增大裂隙產(chǎn)生范圍，且裂隙數(shù)量較多。

（3）在非壓裂區(qū)域抽采瓦斯?jié)舛扔筛邼舛茸優(yōu)榈蜐舛?，由最高?4.3%降低到11.2%；而在壓裂區(qū)域隨著瓦斯的不斷抽采，瓦斯抽采濃度多集中在24.2%左右，煤層透氣性由壓裂前的0.079 m2/(MPa2·d)升高到壓裂后的1.32 m2/(MPa2·d)，煤層透氣性系數(shù)提高了16.7倍。