秦 毅

（霍州煤電集團河津杜家溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 運城 043300）

引言

煤炭作為我國的基礎(chǔ)能源，資源儲量豐富，但整體覆存不均，在我國煤礦開采過程中，瓦斯問題一直制約著我國煤礦的正常生產(chǎn)，目前我國對煤礦瓦斯的治理主要是通過采排，但在實際生產(chǎn)過程中，由于煤層覆存條件較為復(fù)雜，巖層的滲透率較低，使得瓦斯抽采難度極大，所以如何提升低滲透煤層瓦斯抽采效率是礦井面臨的重要課題。水力壓裂作為水力化措施中增加煤層透氣性的一種有效方法，通過對煤巖進行鉆孔并封堵，后利用高壓水對鉆孔進行注水，使得鉆孔出現(xiàn)壓裂裂縫，裂縫進一步擴展形成裂縫網(wǎng)，從而提升煤巖孔隙率，從而實現(xiàn)高效抽采的目的，此前眾多學(xué)者對注液壓力、水平應(yīng)力差等水力壓裂參數(shù)下裂縫的擴展形態(tài)及裂縫參數(shù)進行過一定的研究。本文以杜家溝礦2104 工作面為研究背景，利用RFPA 模擬軟件對水力壓裂參數(shù)對壓裂效果影響進行研究，為低滲透煤層瓦斯抽采提供一定的借鑒[1-2]。

1 礦井概況及數(shù)值模擬研究

杜家溝礦位于河津市清澗鎮(zhèn)杜家溝村西北約3km處，井田面積9.89 km2，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力0.60 Mt/a?，F(xiàn)在主要開采山西組2#和太原組10#煤層，2# 煤層2.45 m～4.80 m，平均厚度3.59 m，屬賦煤區(qū)穩(wěn)定可采煤層，煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖組成，2104 工作面回采期間工作面瓦斯異常涌出，回采最大絕對涌出量為1.89 m3/min，瓦斯抽采效率較低，為此研究低滲透瓦斯抽采非常重要。

在地應(yīng)力的作用下往低滲透煤層進行注水，使得巖石內(nèi)部形成較大的能量聚集，能量聚集量一旦超過巖層破裂壓力時，此時產(chǎn)生裂縫。裂縫按照其起裂形式的不同可分為水平裂縫和垂直裂縫，本文利用RFPA 軟件對裂縫起裂進行研究，進行模型的建立，RFPA 數(shù)值模擬軟件建模過程相對較為簡單，首先進行模型的尺寸設(shè)計，考慮到應(yīng)力的施加及形狀對擴展的影響較小的情況選定模型長寬分別為20 000 mm×20 000 mm 的模型，在模型的內(nèi)部開挖一個直徑為100 mm 的圓孔，用于注液，完成模型的建立后對模型的網(wǎng)格進行劃分，在進行網(wǎng)格劃分時，考慮到模擬計算速度所以選定網(wǎng)格尺寸為200 mm×200 mm，模型的網(wǎng)格共有10 000 個，完成網(wǎng)格劃分后對模型的物理屬性進行設(shè)置[3-4]。物理參數(shù)設(shè)定，如表1 所示。

表1 模擬物理參數(shù)對照表

模型的破壞模型選定為摩爾庫倫模型，對模型的四周施加應(yīng)力載荷，水平及垂直方向應(yīng)力差為0.5 MPa，模型鉆孔內(nèi)部設(shè)置值初始的水壓為1 MPa，限制模型四周的移動，完成模型設(shè)立后，對不同注液壓力下的模型壓裂進行研究，不同注液壓力下模擬云圖，如圖1 所示。

圖1 不同注液壓力壓裂圖

如圖1 所示，不同注液壓力下裂縫的擴展形態(tài)是不同的，當(dāng)注液壓力為1.5 MPa 時，此時的裂縫擴展長度較短，此時由于內(nèi)部能量聚集較低，裂縫起裂瞬間釋放的能量較少，使得巖石的裂縫擴展長度較低，而當(dāng)注液壓力增大至2.5 MPa 時，此時的裂縫擴展長度增加不明顯，裂縫擴展的方向為沿著最大主應(yīng)力方向，當(dāng)注液壓力增大至4 MPa 時，此時的裂縫擴展長度較1.5 MPa 和2.5 MPa 時有了明顯的增強，裂縫的起裂位置仍沿著最大主應(yīng)力方向，這是由于注液壓力的作用使得鉆孔發(fā)生起裂，由于最大水平應(yīng)力的限制使得巖石起裂沿著更容易發(fā)生的方向產(chǎn)生即平行于最大主應(yīng)力方向。同時通過對比發(fā)生注液壓力越大，裂縫擴展速度越快及擴展的長度越長[5-6]。

對不同巖石彈性模量下巖石的起裂特性進行研究，選定注水壓力為4 MPa，選定彈性模量分別為30 000、35 000、40 000 MPa，壓裂圖，如圖2 所示。

圖2 不同彈性模量下巖石壓裂圖

從圖2 可以看出，在不同彈性模量下相巖石裂縫的擴展呈現(xiàn)減小的趨勢，當(dāng)彈性模量為30 000 MPa時，此時巖石內(nèi)部裂縫擴展長度明顯大于彈性模量35 000 MPa 和40 000 MPa，這是由于在相同的注液壓力下，巖石內(nèi)部能量的聚集程度大致相同，此時增大巖石的彈性模量使得相同裂縫擴展長度下需要的能量逐步增大，所以相同能量下的巖石裂縫擴展長度呈現(xiàn)減小的趨勢[7-8]。

2 水力壓裂技術(shù)現(xiàn)場實踐

通對杜家溝礦2104 工作面進行水力壓裂實驗，壓裂系統(tǒng)是由水箱、壓力表、壓裂泵組、溢流閥及封孔器等組成，首先進行巖層的鉆孔，鉆孔完成后對孔進行封閉處理，完成封閉后對鉆孔進行注漿，完成注漿壓裂后對瓦斯進行抽排，測得壓裂前后瓦斯抽采量，驗證水力壓裂增透技術(shù)的可行性。首先對鉆孔進行布置，在距離皮帶巷30 m 的位置布置壓裂鉆孔1，觀測孔位于壓裂鉆孔周邊30 m 的位置，測試孔為未受水力壓裂影響鉆孔，用于對比驗證，不同孔下的瓦斯抽采流量圖，如圖3 所示。

圖3 不同孔下的瓦斯抽采流量圖

如圖3 所示可以看出，瓦斯抽排混流量隨著時間的增加呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，這是由于隨著抽采時間的增大，巷道內(nèi)瓦斯含量逐步降低，所以抽采出的瓦斯量也呈現(xiàn)降低的趨勢，觀察測試孔發(fā)現(xiàn)，由于煤層屬于低滲透煤層，所以在未進行水力壓裂技術(shù)處理時，瓦斯抽采混流量較低，最大值為0.32 m3/min，此時的巷道內(nèi)瓦斯問題仍然很突出，經(jīng)過水力壓裂處理后，此時巷道瓦斯抽采混流量為3 種鉆孔中的最大值，此時的抽采混流量最大值為2.9 m3/min，此時抽采的混流量是未經(jīng)水力壓裂增透時的9 倍多，由于經(jīng)過水力壓裂處理，使得煤層內(nèi)部裂縫眾多，低滲透煤層的通透性提升，所以瓦斯抽采的效果最佳，觀測孔由于靠近水力壓裂鉆孔，所以經(jīng)過水力壓裂處理后，裂縫出現(xiàn)擴展，裂縫擴展會延伸到觀測孔附近，所以觀測孔的瓦斯抽采混流量趨于測試孔與壓裂孔之間。所以經(jīng)過水力壓裂后低滲透煤層的瓦斯抽排效果明顯較佳，水力壓裂對低滲透煤層增透技術(shù)可行[9-10]。

3 結(jié)語

1）杜家溝礦采用數(shù)值模擬軟件以2104 工作面未工程背景對不同注液壓力下的巖石壓裂圖進行研究發(fā)現(xiàn)，隨著水力壓裂注液壓的增加，巖石裂縫擴展速度越快且擴展的長度越長。

2）對不同彈性模量下的巖石壓裂圖進行研究發(fā)現(xiàn)，隨著巖石彈性模量的增加，在注液壓力一定時，巖石壓裂裂縫的擴展長度越短。

3）對水力壓裂低滲透煤層增透技術(shù)進行現(xiàn)場實踐發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過水力壓裂后低滲透煤層的瓦斯抽排效果明顯較佳，水力壓裂對低滲透煤層增透技術(shù)可行。