李 季 金文廣

(華北科技學院安全工程學院 北京 101601)

引言

我國大部分煤層賦存條件復雜、透氣性差，煤層瓦斯抽采難度大、效率低等問題[1]。為增加煤層透氣性，提高瓦斯抽采效果，國內(nèi)外提出了密集鉆孔、大直經(jīng)鉆孔、水力沖孔、水力割縫、深孔松動爆破、CO2相變致裂等多種方法，但存在鉆孔施工工程量大、有效影響范圍小和抽采瓦斯?jié)舛人p快等問題[2-6]。水力壓裂作為一種人為強化卸壓增透方法，在國內(nèi)煤礦井下進行了工業(yè)性試驗，取得了一定效果，但也存在如下缺陷：在軟煤中進行壓裂時，由于煤的強度低，塑性較好，難以形成理想的壓裂裂縫；已產(chǎn)生的部分裂隙也因為煤質松軟、地應力大等原因，在較短時間內(nèi)發(fā)生閉合，從而影響了整體增透抽采效果。

軟煤無法通過傳統(tǒng)的水力壓裂實現(xiàn)增透，幾乎被認為是水力壓裂的禁區(qū)[7]。為此，提出一種軟煤底板割縫導向控制壓裂新技術。該技術不直接對煤層進行壓裂，而是通過對煤層底板圍巖進行透氣性改造，使瓦斯在煤層與底板圍巖接觸面處泄放，瓦斯氣體流入圍巖后再順圍巖裂隙流到鉆孔中而被抽采，從而大大提高瓦斯抽采效果[8-10]。

一、技術原理

軟煤底板割縫導向控制壓裂增透技術原理如圖1所示。圖中壓裂鉆孔不穿過煤層，僅僅鉆進到距煤層0.5m處為止。在鉆孔底部用專用開槽鉆頭預置一組具有卸壓作用的橫槽[11]。開槽過程將形成大量裂隙，可有效降低起裂壓力。封孔時，預留5m的巖孔作為壓裂段。然后通過高壓水對煤層底板圍巖進行壓裂，利用橫槽和控制孔控制水力壓裂的壓裂方向。橫槽和控制孔之間的巖體壓裂貫通并通過高壓水帶出大量巖屑、煤屑，可有效增加煤層暴露面積與透氣性，減少壓裂孔數(shù)目。壓裂后將壓裂孔與控制孔均聯(lián)入抽采系統(tǒng)，可有效提高抽采效果，降低預抽時間。傳統(tǒng)穿層孔水力壓裂，壓裂鉆孔要穿透整個煤層進入其頂?shù)装?，封孔時鉆孔內(nèi)的封孔材料要達到煤巖接觸界面，壓裂時水壓主要作用于煤層。對于中硬煤以上，高壓水產(chǎn)生的裂縫不易閉合，能夠保持一定的煤層透氣性；而對于軟煤，高壓水難以產(chǎn)生理想的裂縫，短暫產(chǎn)生的裂縫也會因為煤質松軟、地應力作用等原因很快閉合，無法改變煤層透氣性[12-15]。

軟煤底板割縫導向控制壓裂與傳統(tǒng)穿層孔水力壓裂相比，其特點在于[16]：(1)低透氣性的煤層，其圍巖的透氣性也較差。一般而言，圍巖的脆性或可壓裂性遠遠高于煤層，通過對煤層圍巖進行壓裂提高其透氣性，其效果要比直接作用于軟煤本身好的多[17]。(2)長時間抽氣時，除在鉆孔附近，煤層中瓦斯移動到圍巖接觸面的距離遠小于它到鉆孔的距離，它的排放阻力比直接順煤層到達鉆孔時小得多，因面鉆孔瓦斯抽放濃度衰減周期較長。(3)由于煤層與圍巖是平行接觸的，在圍巖被充分壓裂的情況下，圍巖鉆孔產(chǎn)生的壓降可以傳遞到與它接觸的煤層表面，使瓦斯在接觸面處釋放，它將具有很大的釋放面積。

1—煤層 2—巖層 3—壓裂鉆孔 4—封孔材料

二、圍巖壓裂理論分析

水力壓裂時，壓裂鉆孔周圍應力狀態(tài)受原巖地應力與鉆孔內(nèi)水壓雙重作用影響。當壓裂孔為穿層鉆孔時，在內(nèi)水力壓力作用下，煤體將沿鉆孔某一截面周邊上發(fā)生起裂。為此，可忽略鉆孔軸向水平應力的影響，只考慮沿鉛垂應力q0和水平徑向應力λq0。

在水壓和原巖地應力雙重作用下，注水鉆孔周圍巖體內(nèi)任意一點的應力為[18]

(1)

式中，λ為側向應力系數(shù)，λ=1500/H+n(n取0.3～0.5)；q0為鉛垂方向地應力，q0=γH(γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；H為地層厚度，m；a為壓裂鉆孔半徑，m；r為鉆孔圍巖中任意一點到鉆孔中心距離，m；θ為點的方位角，

在鉆孔壁上，r=a，則式(1)化簡為

σθ=(1+λ)q0+2(1-λ)q0cos2θ-p

(2)

若注水鉆孔在孔壁發(fā)生起裂，則σθ必須為拉應力，則滿足

|σθ|>|Rt|

(3)

式中，Rt為煤體抗拉強度，MPa.若不考慮拉應力與壓應力的正負號，只考慮數(shù)值大小，由式(2)、式(3)可得

p>(1+λ)q0+2(1-λ)q0cos2θ+Rt

(4)

壓裂孔周圍受水平、垂直兩個方向應力，當θ=0°或180°時，

p>(3-λ)q0+Rt

(5)

當θ=90°或270°時，

p>(3λ-1)q0+Rt

(6)

最小注水壓力只有滿足式(5)、(6)時，注水鉆孔周圍孔壁巖體才會發(fā)生起裂[19]。以鄭煤集團某礦為例，試驗地點距地表垂深800m，巖石容重平均為25.5 kN/m3，側向拉應力系數(shù)經(jīng)計算為2.175，圍巖的抗拉強度Rt為1.5MPa.將數(shù)據(jù)代入式(5)、(6)可得注水鉆孔周圍孔壁起裂臨界壓力為17.7 MPa。

三、軟煤底板割縫導向控制壓裂數(shù)值模擬

(一)數(shù)值模型

根據(jù)鄭煤集團某礦煤層實際賦存條件，采用長方形層狀結構模擬地層狀況，并簡化為平面應變模型。模型沿走向長度取40m，高度取20m，煤層平均厚度4m，頂?shù)装鍘r層厚度均取8m，壓裂孔直徑為100mm。模型劃分成400×200共80000個單元。將上覆巖層的自重簡化為均布載荷施加于模型上邊界，即在模型頂部施加12MPa的載荷，側壓系數(shù)取2.2，即水平應力為26 MPa。設置的初始壓裂壓力為3 MPa，此后以0.5MPa/步的幅度增長。

表1 數(shù)值模型參數(shù)

(二)最大主應力分布

圖2為27、38、44、51步在底板與煤層接觸面的最大主應力分布圖，圖3為對應的分布曲線。由于預置橫槽可有效降低裂縫起裂所需壓力，故裂隙沿預置橫槽處擴展；鉆孔底端煤層由于高壓水的作用將產(chǎn)生位移，位移產(chǎn)生的形變將在此區(qū)域產(chǎn)生卸壓作用，應力得到充分釋放，故鉆孔周邊最大主應力較??；隨著距鉆孔距離的增大，高壓水的卸壓作用將逐漸變小，應力釋放程度變小，故最大主應力隨著距鉆孔距離的增大而逐漸增大。

圖2 最大主應力分布圖

圖3 最大主應力分布曲線

(三)水頭分布

圖4為第27、38、44、51步的孔隙水壓力分布。

第27步圍巖開始起裂破壞，破壞沿預置橫槽方向擴展，起裂壓力為16 MPa；第44步，裂隙沿橫槽繼續(xù)發(fā)展，破裂區(qū)為高壓水區(qū)，瓦斯從煤層滲流至圍巖的通道也逐步形成，此時水壓達到24.5MPa；直到第51步，由于高壓水的持續(xù)作用，裂紋擴展到控制孔范圍，形成瓦斯流動通道，實現(xiàn)軟煤底板壓裂的技術目的，此時水平圍巖損傷半徑為10米。

由圖5水壓力分布曲線可知，鉆孔中心區(qū)水壓最高，并沿水平方向逐漸減小。

圖4 孔隙水壓力分布圖

圖5 孔隙水壓力分布曲線

Fig.5 Pore water pressure distribution curve

(四)壓裂過程分析

由數(shù)值模擬結果可知，在鉆孔內(nèi)預置橫槽可有效降低起裂壓力，槽內(nèi)弱面與周圍控制孔施工過程中形成的卸壓圈可有效控制起裂方向。高壓水克服底板鉆孔楔形槽的致裂強度，產(chǎn)生裂隙并延伸、溝通壓裂孔附近煤巖體內(nèi)原來不相連的裂隙和孔隙，改變圍巖結構，形成以壓裂孔為中心向孔外輻射的孔裂隙系統(tǒng)。

在壓裂初始階段，在高壓水作用下，促使各級弱面發(fā)展與貫通，圍巖受到擠壓被拉破壞并釋放應力，裂紋不斷向水平方向擴展，隨之高應力區(qū)也出現(xiàn)在破裂區(qū)前端，使煤巖破裂成為連鎖反應[20]。破裂區(qū)半徑約為10米。

由圖5可知，整個壓裂過程中，鉆孔水壓最高，并沿水平方向逐漸減小。結合圖2，鉆孔周邊高水壓處與應力釋放處重合，說明在高壓水作用下鉆孔周邊應力得到釋放，裂隙在高壓水作用下擴展貫通，最終使煤巖結合處發(fā)生破裂，瓦斯通過此處流向壓裂孔。

四、現(xiàn)場應用及效果分析

在鄭煤集團某礦25采區(qū)底抽巷進行了技術應用試驗，典型的2個壓裂孔參數(shù)見表2所示。距離壓裂孔10米處施工控制孔，控制孔長度打穿底板后見0.5米煤層，孔徑94mm。1#鉆孔壓裂過程中最高水壓為29.2MPa，注水量34.2m3，第一次憋壓最高值為16.3 MPa，說明起裂壓力為16.3MPa，用時2小時20分；2#鉆孔壓裂過程中最高壓力28.9MPa，注水量34m3，第一次憋壓最高值為15.9 MPa，用時2小時40分?？刂瓶妆粔和ê?，繼續(xù)壓裂直至控制流出水流中不再有煤、巖屑排出，且水流穩(wěn)定時，試驗結束。水力壓裂施工中全程記錄了壓力、流量、時間等重要參數(shù)。

由現(xiàn)場應用結果可知，底板割縫導向控制壓裂技術的實際起裂壓力明顯小于計算起裂壓力，說明該技術能有效降低煤層起裂壓力。

表2 軟煤底板割縫導向控制壓裂參數(shù)表

選取2個割縫導向壓裂孔與直接壓裂煤層鉆孔，進行壓裂前后鉆孔瓦斯抽采濃度和純量對比分析，如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，直接對煤層進行壓裂時，鉆孔最大瓦斯?jié)舛葹?2%，最大抽采純量為0.24m3/min，經(jīng)過15d后，抽采濃度衰減至16%，抽采純量衰減至0.13m3/min，抽采濃度和純量較小。

圖6 瓦斯抽采濃度對比圖

圖7 瓦斯抽采純量對比圖

2個割縫導向壓裂孔最大瓦斯抽采濃度度分別為75%與64%，最大瓦斯抽采純量分別為0.63m3/min與0.64m3/min，經(jīng)過15d天，2個導向壓裂孔抽采濃度保持在34%以上，抽采純量保持在0.39m3/min以上，抽采穩(wěn)定。與直接壓裂煤層相比，割縫導向壓裂孔抽采瓦斯?jié)舛绕骄黾恿?0.37%，瓦斯抽采純量增加了0.345m3/min。

底板壓裂過程中，壓裂孔與控制孔之間的巖體被壓穿，壓裂孔與控制孔之間距離即為壓裂半徑。試驗煤層走向長度1050米，原設計共布置抽采鉆孔262個，采用底板導向割縫壓裂措施后僅需施工105個，施工孔減少60 %，可有效減少鉆孔的工程量。

五、結論

(1)直接對軟煤進行壓裂增透，由于其強度低、塑性好，難以產(chǎn)生理想的壓裂裂縫，壓裂增透效果不理想；對煤層底板進行水力壓裂，具有可壓裂性好、煤層瓦斯釋放面積大、煤層瓦斯擴散滲流到抽采鉆孔阻力小等優(yōu)點。

(2)利用真實破裂過程分析軟件RFPA2D-flow，對軟煤底板割縫導向控制壓裂新技術進行了數(shù)值分析，模擬了對軟煤底板進行壓裂后裂隙的萌生、發(fā)展直至貫通的整個過程，并對孔隙水壓力與最大主應力的分布變化規(guī)律進行研究。數(shù)值模擬得到的圍巖起裂壓力為14MPa，峰值壓裂壓力為28 MPa，壓裂半徑為10m。

(3)直接對煤層壓裂時瓦斯抽采濃度低、衰減快，割縫導向壓裂孔抽采濃度長時間比較穩(wěn)定。導向壓裂孔最大瓦斯抽采濃度為75%，平均瓦斯抽采純量為0.53m3/min，比直接壓裂煤層鉆孔平均提高了30.37%與0.345m3/min，且鉆孔施工量減少60 %，有效減少鉆孔工程量，縮短預抽時間，壓裂增透效果顯著，具有良好的推廣應用價值。