魏 遠(yuǎn)，趙尤信

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；2.煤科通安〈北京〉智控科技有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；4.煤炭智能開(kāi)采與巖層控制全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013)

0 引言

隨著煤層開(kāi)采深度的增加，瓦斯抽采難度越來(lái)越大，煤與瓦斯突出問(wèn)題日益嚴(yán)重，嚴(yán)重制約著煤礦的安全運(yùn)營(yíng)和高效生產(chǎn)[1-3]。針對(duì)開(kāi)采深度大、透氣性低和瓦斯抽采困難的煤層，通過(guò)強(qiáng)化措施提高煤層的抽采效率很有必要，目前，常用到的煤層增透方法有開(kāi)采保護(hù)層卸壓增透法[4]、鉆孔卸壓增透法[5]、高能液體擾動(dòng)卸壓增透法[6-7]和爆生氣體擾動(dòng)卸壓增透法[8]等，其中，水力壓裂技術(shù)在煤層卸壓增透中應(yīng)用廣泛。

水力壓裂增透技術(shù)通常應(yīng)用于堅(jiān)硬煤層中，通過(guò)在煤層鉆孔中注水，使煤體產(chǎn)生裂隙，從而增加煤層透氣性。周西華等[9]對(duì)水力壓裂增透進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并建立了煤層損傷-應(yīng)力-滲流耦合模型進(jìn)行數(shù)值模擬，其模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果均表明壓裂后煤層透氣性提高了67倍，瓦斯抽采純量得到大幅度提升；馬海峰等[10]提出了“W-S-W”強(qiáng)化水力壓裂增透技術(shù)，并與普通水力壓裂進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果顯示“W-S-W”水力壓裂后煤層瓦斯體積分?jǐn)?shù)比普通水力壓裂提高了1.2倍，瓦斯抽采效果更明顯；PROFIT M等[11]構(gòu)建了水力壓裂裂縫擴(kuò)展力學(xué)模型，基于流固耦合離散元方法模擬分析了不同參數(shù)對(duì)水力壓裂效果的影響；MARSDEN H等[12]以澳大利亞高瓦斯礦井為例，分析了納米技術(shù)在煤層水力壓裂增透中應(yīng)用的可行性和有效性；賈進(jìn)章等[13]以馬堡煤礦為研究對(duì)象，應(yīng)用RFPA2D-flow數(shù)值模擬方法研究了多點(diǎn)布孔方式對(duì)水力壓裂效果的影響，確定了該礦水力壓裂有效抽采半徑為3 m。前人的研究主要集中在水力壓裂效果、壓裂參數(shù)選擇等方面，而對(duì)定向水力壓裂技術(shù)應(yīng)用的研究相對(duì)較少。

鑒于此，筆者以察哈素10號(hào)煤礦24130工作面為工程背景，建立煤巖應(yīng)力-損傷-滲透的水力壓裂抽采耦合模型，應(yīng)用COMSOL軟件模擬水力壓裂過(guò)程中煤體損傷及瓦斯抽采效果，研究導(dǎo)向槽對(duì)水力壓裂的影響以及定向水力壓裂的增透效果。研究成果對(duì)進(jìn)一步改善煤層增透效果、節(jié)約工程成本具有重要意義，為定向水力壓裂技術(shù)在其他礦區(qū)的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬理論研究

1.1 固體應(yīng)力場(chǎng)控制方程

水力壓裂與瓦斯抽采過(guò)程受煤體應(yīng)力變化、瓦斯吸附應(yīng)力變化等影響，瓦斯運(yùn)移應(yīng)力場(chǎng)控制Navier方程為[14]：

(1)

式中：G——剪切模量，Pa；

μ——泊松比；

K——煤巖體積模量，Pa；

αm、αf——孔隙與裂隙對(duì)應(yīng)的Biot系數(shù)；

pm——孔隙流體壓力，Pa；

V——流體流速，m/s；

ε——煤巖體應(yīng)變，Pa；

Fi——體積力，Pa；

pf——裂隙流體壓力，Pa。

1.2 損傷控制物理方程

煤層為非均勻的彈性物質(zhì)，其孔隙、裂隙損傷應(yīng)變滿(mǎn)足Weibull分布，概率密度函數(shù)f(u)滿(mǎn)足如下方程[15]：

(2)

式中：u——單元力學(xué)參數(shù)；

u0——單元力學(xué)參數(shù)平均值；

m——均質(zhì)度參數(shù)。

高壓水作用使煤層裂隙變大，損傷量造成煤體原彈性模量變小，當(dāng)煤體應(yīng)力狀態(tài)壓縮、拉伸破壞時(shí)滿(mǎn)足摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則：

式中：σ1、σ3——最大和最小主應(yīng)力，Pa；

β——內(nèi)摩擦角，(°)；

fc0——單軸抗壓強(qiáng)度，Pa；

ft0——抗壓強(qiáng)度，Pa；

F1、F2——損傷閾值。

煤層注入高壓水的損傷變量D為：

(5)

式中：εt0——最大拉伸主應(yīng)變；

εc0——最大壓縮主應(yīng)變。

1.3 煤層滲流場(chǎng)控制方程

水力壓裂與瓦斯抽采過(guò)程中存在氣水兩相流，根據(jù)達(dá)西(Darcy)定律，瓦斯?jié)B流場(chǎng)與裂隙氣水運(yùn)移場(chǎng)方程為[14]：

式中：t——單位時(shí)間，s；

Mg——相對(duì)分子量，g/mol；

R——通用氣體常數(shù)，J/(mol·K)；

T——溫度，K；

Sg——?dú)庀囡柡投龋?/p>

Sw——水相飽和度；

K——絕對(duì)滲透率，m2；

Krw——水相的相對(duì)滲透率；

ug——?dú)庀嗟膭?dòng)力粘度，Pa·s；

uw——水相的動(dòng)力粘度，Pa·s；

b——滑脫因子，Pa；

Pw——注水壓力，MPa；

φ——裂隙孔隙度；

ρw——水密度，kg/m3；

ρc——煤體密度，kg/m3；

VL——Langmuir吸附體積常量，m3/kg；

PL——Langmuir壓力常量，Pa。

2 定向水力壓裂數(shù)值模擬研究

2.1 地質(zhì)背景

察哈素10號(hào)煤礦24130工作面平均煤層厚度為5.54 m，煤層透氣性系數(shù)為0.015 5～0.043 7 m2/(MPa2·d)，衰減系數(shù)為0.382 0～0.410 4 d-1，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f值為0.25～0.35，孔隙率為0.035，屬于較難抽采煤層。

2.2 模型建立

根據(jù)24130工作面實(shí)際情況，應(yīng)用COMSOL Mutiphysics數(shù)值模擬軟件建立模型，如圖1所示，模型尺寸為42 m×11 m，煤層厚度為5 m，上頂板與下頂板厚度為3 m，布置3個(gè)壓裂孔、2個(gè)抽采孔、2個(gè)定向控制孔。上部受煤層的負(fù)巖壓力作用，右側(cè)受水平壓力作用，左側(cè)為滑動(dòng)邊界，底部為固定邊界，煤層外部無(wú)滲透邊界。煤層基礎(chǔ)參數(shù)：初始裂隙孔隙率0.035，瓦斯動(dòng)力粘度1.84×10-5Pa·s，水的動(dòng)力粘度0.001 03 Pa·s，Langmuir壓力常量1.85×106Pa，Langmuir吸附體積常量0.025 1 m3/kg，骨架彈性模量8.469×109Pa，煤體彈性模量8.5×109Pa，煤體泊松比0.28，骨架密度1 270 kg/m3，埋深450 m，初始瓦斯壓力0.41 MPa，毛細(xì)管力50 000 Pa，滲透率跳躍系數(shù)56，注水壓力20 MPa，瓦斯抽采負(fù)壓18 kPa，滑脫因子0.76×106Pa，孔隙彈性有效系數(shù)0.92，煤體均質(zhì)度6 m，視密度1.37 t/m3。

圖1 水力壓裂抽采物理模型

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

當(dāng)模擬設(shè)計(jì)注水壓力20 MPa、抽采負(fù)壓18 kPa時(shí)，不同壓裂時(shí)刻煤體彈性模量的變化如圖2所示。

圖2 水力壓裂煤體彈性模量

由圖2可知，高壓水注入煤巖中，導(dǎo)向槽使得煤層所受的水平主壓力大于垂直主應(yīng)力，在煤體水平方向上率先發(fā)生巖層拉伸破裂，隨著高壓水注入時(shí)間增加，煤層損傷范圍逐漸增大，呈橢圓形變化，破壞后煤巖體滲透率增大。

不同抽采時(shí)刻抽采孔附近瓦斯壓力分布情況如圖3所示。由圖3可知，抽采孔附近的瓦斯壓力值明顯小于其他煤體，抽采的有效面積隨抽采天數(shù)的增加而逐漸增大。

圖3 抽采孔附近瓦斯壓力分布情況

不同抽采時(shí)間瓦斯壓力隨抽采距離的變化情況如圖4所示。圖中以煤層瓦斯壓力下降30%作為煤層抽采半徑的標(biāo)準(zhǔn)，即煤層瓦斯壓力由0.41 MPa下降到0.29 MPa。由圖4可以看出，煤體未壓裂的情況下，抽采10、30、60 d的有效抽采半徑分別為0.8、1.4、1.6 m；水力壓裂后抽采10、30、60 d的有效半徑分別為1.8、2.4、3.9 m，抽采60 d后，有效的抽采半徑對(duì)比之前未壓裂抽采半徑增大了2.44倍。

圖4 瓦斯壓力隨抽采距離的變化曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 鉆孔布置

根據(jù)模擬結(jié)果和察哈素10號(hào)煤礦24130工作面瓦斯地質(zhì)條件，在進(jìn)風(fēng)巷巷幫沿煤層間隔一定距離布置平行鉆孔?？紤]到鉆場(chǎng)實(shí)際情況以及試驗(yàn)效果，本次試驗(yàn)共施工7個(gè)鉆孔，鉆孔孔徑Ф94 mm。將水力壓裂裝置的初始?jí)毫υO(shè)定為5 MPa，檢查合格后，逐漸將壓力升至10 MPa并保持一段時(shí)間，觀察附近控制鉆孔，當(dāng)附近沒(méi)有水從鉆孔中流出，每次適當(dāng)加壓4 MPa并維持一段時(shí)間，直到附近鉆孔有水涌出，然后保持注水壓力不變，至鉆孔水流變清時(shí)水力壓裂作業(yè)停止。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果分析

水力壓裂的目的是增大煤體內(nèi)的裂隙，為瓦斯流動(dòng)提供通道，提高煤層透氣性。因此，瓦斯流量和濃度的增加幅度是考察壓裂效果的重要指標(biāo)。在各抽采鉆孔完成后，在鉆孔處安裝流量和濃度監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)并記錄常規(guī)鉆孔和試驗(yàn)鉆孔的瓦斯流量和濃度參數(shù)。對(duì)抽采鉆孔連續(xù)監(jiān)測(cè)25 d，得到抽采孔平均瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞孔兓€如圖5所示。

圖5 抽采孔瓦斯參數(shù)變化曲線

由圖5可知，煤巖損傷破裂后，試驗(yàn)抽采鉆孔瓦斯?jié)舛葹?6.9%～55.4%，瓦斯純量為0.005 9～0.013 2 m3/min，平均瓦斯?jié)舛?2.4%，平均瓦斯純量0.009 8 m3/min；常規(guī)抽采鉆孔組瓦斯?jié)舛葹?.4%～38.5%，瓦斯純量為0.001 4～0.003 9 m3/min，平均瓦斯?jié)舛葹?5.4%，平均瓦斯純量為0.001 8 m3/min，因此，水力壓裂后的平均混合瓦斯?jié)舛仁菈毫亚暗?.75倍，平均混合瓦斯純量是壓裂前的5.44倍。由此可見(jiàn)，采取導(dǎo)向槽定向水力壓穿措施的增透效果明顯。

3.3 有效抽采半徑

水力壓裂有效抽采半徑依據(jù)下式計(jì)算：

(8)

式中：W——煤層的原始瓦斯含量，m3/t；

Qc——累計(jì)抽采純量，m3/t；

ρ——煤的密度，t/m3；

Rc——有效抽采半徑，m；

L——有效的鉆孔長(zhǎng)度，m；

π——煤的孔隙率；

η——抽采效率，%。

察哈素10號(hào)煤礦24130工作面測(cè)得的實(shí)際瓦斯含量為8.48 m3/t，有效抽采鉆孔長(zhǎng)度為50 m，根據(jù)式(8)計(jì)算得出抽采時(shí)間為10、20、30、40、50、60 d時(shí)，有效抽出半徑分別為1.5、2.1、2.6、2.9、3.3、3.6 m。由數(shù)據(jù)擬合可知，水力壓裂有效抽采半徑的擬合公式為Rc=0.489t0.4871，當(dāng)抽采時(shí)間為60 d時(shí)，有效抽采半徑為3.6 m，與數(shù)值模擬結(jié)果大致吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬模型的有效性。根據(jù)察哈素10號(hào)煤礦24130工作面未壓裂前的抽采數(shù)據(jù)可以計(jì)算得出抽采半徑達(dá)到3.0 m時(shí)，需要抽采84 d，而應(yīng)用水力壓裂后，僅需41 d抽采半徑即可達(dá)到3.0 m，抽采的時(shí)間縮短了43 d。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)COMSOL Mutiphysics數(shù)值模擬分析了察哈素10號(hào)煤礦24130工作面導(dǎo)向槽定向水力壓裂穿煤層彈性模量分布，滲透率變化與煤層瓦斯壓裂前后的應(yīng)力變化。當(dāng)水力壓裂1 800 s時(shí)，損傷區(qū)域貫穿，壓裂后抽采壓力迅速下降到有效壓力抽采線，抽采60 d，有效的抽采半徑比未壓裂前增大了2.44倍。

(2)在察哈素10號(hào)煤礦24130工作面實(shí)施導(dǎo)向槽定向水力壓裂試驗(yàn)，試驗(yàn)水力壓裂鉆孔組抽采混合瓦斯?jié)舛仁浅Ｒ?guī)鉆孔組的2.75倍，瓦斯抽采純量是常規(guī)鉆孔組的5.44倍。

(3)察哈素10號(hào)煤礦24130工作面定向水力壓裂滿(mǎn)足有效抽采半徑公式為Rc=0.4787t0.4871，當(dāng)抽采半徑為3.0 m時(shí)，壓裂作業(yè)后的抽采時(shí)間為41 d，相比常規(guī)抽采孔抽采的時(shí)間縮短了43 d。