姚壯壯

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室， 重慶 400037；2.中國煤炭科工集團 重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

0 引 言

高瓦斯、碎軟、低滲煤層的瓦斯治理一直是業(yè)界難題[1-2]。如何提高煤層的透氣性是我國各科研院所、高校以及煤炭企業(yè)一直以來研究的重要課題[3-7]。目前已形成一系列煤層瓦斯強化抽采技術，包括鉆孔深孔預裂爆破、水力沖孔、水力割縫、水力壓裂等[8-10]。董鋼鋒等[11]運用高水壓射流擴孔技術來提高穿層鉆化預抽放效果；藍成仁[12]進行了大量的穿層深孔爆破提離瓦斯抽放技術工業(yè)實驗，并闡述了其作用機理。為了縮短瓦斯抽采時間，保證煤礦井下安全高效生產，國內外學者已經在技術工藝上有所突破[13-18]。

通過數值模擬方法，分析注入高壓水后地應力的變化對底板巖石預抽巷應力及位移的影響，確保試驗區(qū)的壓裂施工安全。陽煤集團寺家莊礦15號煤層瓦斯含量高、透氣性差，導致抽采困難、生產接替緊張等一系列問題。筆者以該礦為例，分析了底抽巷穿層鉆孔的可壓性，并在可壓的前提下對試驗區(qū)開展的水力壓裂進行效果考察，形成了一種適用于穿層鉆孔水力壓裂的成套技術體系，為穿層鉆孔水力壓裂提供了理論支撐和現實依據。

1 穿層鉆孔水力壓裂可壓性分析

本次壓裂試驗區(qū)在寺家莊礦15117工作面回風底抽巷。圈定的壓裂試驗區(qū)域地質構造不發(fā)育，透氣性差，在壓裂試驗范圍內無透水型地質構造，煤層頂板、底板遇水不易膨脹，且頂底板無含水層，該區(qū)域理論上滿足進行水力壓裂試驗需求。

1.1 計算模型的建立

水力壓裂施工可能會造成底抽巷頂板離層、垮落、片幫等情況，為了預防這些情況發(fā)生，根據寺家莊礦壓裂試驗區(qū)資料，模擬在支護條件下水力壓裂實施前后應力及位移變化。通過前后對比，得出水力壓裂高壓水對實驗巷道造成的影響。壓裂鉆孔布置如圖1所示，本次模擬選取2號壓裂孔，擬注水90 m3，最大注水壓力20 MPa。

圖1 2號壓裂鉆孔布置剖面Fig. 1 No.2 fracturing borehole layout profile

試驗巷道壓裂地點與煤層垂距均大于20 m。根據鉆孔資料，建立了尺寸為150 m×100 m×80 m的數值模擬模型，見圖2。模型邊界條件：豎直方向上施加豎向荷載模擬上覆巖層自重，X、Y方向限制水平移動，Z方向限制底面垂直方向位移。模型深300 m，容重取25 kN/m3，故模型上邊界施加7.5 MPa的應力值，記模型煤巖層密度為ρ，體積模量為Kv,內聚力為c,內摩擦角為θ。模型圍巖參數見表1。

圖2 底抽巷數值模擬模型 Fig. 2 Numerical simulation model of bottom extraction roadway

表1 計算模型煤巖層參數

1.2 壓裂實施前、后巷道應力

首先,模擬試驗巷道水力壓裂之前支護狀態(tài)下的應力狀態(tài)。因本次壓裂設計為上向壓裂孔，所以主要分析巷道所受垂直應力變化。圖3為水力壓裂實施前試驗巷道垂直應力云圖，從圖中可以看出，最大垂直應力為11 MPa，左右兩幫應力分布均勻。

圖3 水力壓裂前巷道垂直應力云圖Fig. 3 Vertical stress nephogram of roadway before hydraulic fracturing

最大注水壓力20 MPa，高壓水壓力與原巖應力疊加，相當于在鉆孔中心施加最大垂直應力30 MPa，模擬高壓水應力對鉆孔周圍應力影響，應力值向四周逐漸減小，在35 m范圍內減小至原巖應力10 MPa。模擬結果見圖4。

圖4 水力壓裂實施后煤層平面方向垂直應力云圖Fig. 4 Vertical stress nephogram in plane direction of coal seam after hydraulic fracturing

圖5為施加水力壓裂后，試驗區(qū)巷道圍巖垂直應力云圖。壓裂孔施工在巷道左幫，在高壓水的作用下，左幫垂直應力最大值為16 MPa，比壓裂前增加了5 MPa。右?guī)痛怪睉ψ畲笾禐?3 MPa，比壓裂前增加了2 MPa。應力分布不再均勻。

圖5 水力壓裂后巷道垂直應力云圖Fig. 5 Vertical stress nephogram of roadway after hydraulic fracturing

1.3 壓裂實施前、后巷道應變

圖6為巷道支護條件下垂直位移云圖，從圖中可知，頂底板位移都較小，頂板位移為1 cm，底板位移為2 cm，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 水力壓裂實施前巷道垂直位移云圖Fig. 6 Vertical displacement nephogram of roadway before hydraulic fracturing

圖7為巷道在施加水力壓裂后的垂直位移云圖，從圖中可以看出，實施水力壓裂后，頂板位移為5 cm，增加了4 cm, 底板位移為2 cm，維持不變，由于巷道圍巖巖性穩(wěn)定，加之支護到位，巷道仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，由此可知，水力壓裂對試壓巷道影響甚微。

圖7 水力壓裂實施后巷道垂直位移云圖Fig. 7 Vertical displacement nephogram of roadway after hydraulic fracturing

2 穿層鉆孔水力壓裂效果

壓裂區(qū)與未壓裂區(qū)瓦斯抽采濃度變化曲線如圖8所示，壓裂后經抽采效果考察得出：壓裂單元瓦斯抽采體積分數φ為13.9%～36.5%，平均為29.1%；而未壓裂區(qū)域鉆孔瓦斯抽采體積分數為5.9%～11.8%，平均為9.3%，壓裂后瓦斯平均抽采濃度是未壓裂區(qū)域瓦斯抽采濃度的3.1倍。

圖8 壓裂區(qū)與未壓裂區(qū)瓦斯抽采濃度變化對比Fig. 8 Contrast of gas drainage concentration change between fractured and unfractured areas

壓裂區(qū)域抽采純量為0.97～3.44 L/min，平均瓦斯抽采純量為2.04 L/min，而非壓裂區(qū)抽采純量為0.19～0.52 L/min，平均瓦斯抽采純量為0.36 L/min，壓裂后平均瓦斯抽采純量是未壓裂區(qū)域的5.7倍，見圖9，明顯提高了瓦斯抽采效率。

圖9 壓裂區(qū)與未壓裂區(qū)瓦斯抽采純量變化對比Fig. 9 Contrast of gas drainage purity change between fractured and unfractured areas

3 結 論

(1)通過數值模擬分析寺家莊煤礦底板巷穿層鉆孔可壓性并得出，壓裂后巷道應力值變化，左右兩幫應力值不再均勻，壓裂測巷幫應力變大；壓裂后巷道變形量變化較小，可知水力壓裂對試驗區(qū)底抽巷影響不大，可以滿足水力壓裂施工要求。

(2)壓裂區(qū)抽采單元瓦斯平均抽采濃度和純量分別是非壓裂區(qū)的3.1和5.7倍，瓦斯抽采增滲效果明顯。