煤層水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律及瓦斯抽采鉆孔優(yōu)化研究_.pdf

1、低透氣性是我國(guó)煤層瓦斯賦存的普遍特性，為合理高效的抽采煤層瓦斯必須對(duì)高瓦斯低滲透性煤層采取增透措施。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，已在許多礦區(qū)獲得了應(yīng)用。本文采用相似材料模擬煤層的試驗(yàn)手段，結(jié)合理論分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等研究方法，研究地應(yīng)力對(duì)煤層水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響，同時(shí)提出了地應(yīng)力作用下基于裂縫擴(kuò)展規(guī)律的瓦斯抽采鉆孔優(yōu)化布置方法，為壓裂后煤層瓦斯的高效抽采提供了借鑒。
　?。?）采用MTS815電液伺服巖

2、石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)煤巖及頂?shù)装宓牧W(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試，為煤巖和頂?shù)装逑嗨撇牧现谱魈峁┗A(chǔ)。通過(guò)壓汞試驗(yàn)研究了M6-3煤層的孔隙裂隙特征，煤層為小孔、微孔結(jié)構(gòu)，孔隙度為2.7793％，孔隙形態(tài)為開放孔，連通性較好，有利于采取增透措施增加煤層滲透性。根據(jù)聲發(fā)射的Kaiser效應(yīng)測(cè)定了煤層的地應(yīng)力分布規(guī)律，逢春煤礦為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)型，垂向主應(yīng)力為中間主應(yīng)力，水平主應(yīng)力為最大、最小主應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸蔽飨颉?br>　?。?）基于煤層鉆孔水力壓

3、裂的憋壓特征，提出了孔底憋壓模型。根據(jù)水壓裂縫與天然裂縫的力學(xué)關(guān)系，建立了水壓裂縫與天然裂縫的遭遇模型，并分析了水壓裂縫與天然裂縫遭遇后的擴(kuò)展延伸條件，認(rèn)為煤層水力壓裂是水壓主裂縫與分支裂縫交替擴(kuò)展延伸的過(guò)程，最終共同形成主裂縫交叉分支裂縫的裂縫網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)水力壓裂垂直裂縫擴(kuò)展的擬三維模型，預(yù)測(cè)水壓裂縫的擴(kuò)展形態(tài)，給出了裂縫中流體的連續(xù)性方程、壓降方程、縫寬方程和裂縫高度控制方程及模型的求解方法。
　?。?）對(duì)模擬煤巖的相似材料進(jìn)行

4、研究，確定了煤巖及頂?shù)装宓南嗨撇牧吓浔?。采用“頂?煤層-底板”分層的相似材料澆筑方法，設(shè)計(jì)煤層水力壓裂的物理模擬試驗(yàn)，應(yīng)用大尺寸真三軸水力壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了煤層水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律的研究。結(jié)果表明，水壓裂縫基本在煤層中擴(kuò)展，總體形態(tài)為橢圓形，縫高隨裂縫擴(kuò)展而變化；裂縫沿垂直于最小水平主應(yīng)力的方向擴(kuò)展，沿平行于最大水平主應(yīng)力的方向延伸。地應(yīng)力是水壓裂縫擴(kuò)展延伸的決定性因素，隨著水平最小、最大主應(yīng)力比值由小到大，水壓裂縫延伸方向與最大水平

5、主應(yīng)力方向夾角由大變小，裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)，裂縫破裂壓力逐漸增大。在等圍壓條件下，水壓裂縫的擴(kuò)展是隨機(jī)的，一旦形成裂縫面，裂縫將沿著優(yōu)勢(shì)破裂面擴(kuò)展，沿其中一個(gè)水平主應(yīng)力的方向延伸。水壓裂縫與預(yù)制裂隙相交角度是決定水壓裂縫能否穿過(guò)預(yù)制裂隙的重要因素，水壓裂縫與預(yù)制裂隙接觸角度小于45°時(shí)，水壓裂縫將穿過(guò)預(yù)制裂隙繼續(xù)擴(kuò)展。在兩個(gè)煤層的聯(lián)合壓裂過(guò)程中，水壓裂縫可以在兩個(gè)煤層中擴(kuò)展延伸。煤層鉆孔對(duì)水壓裂縫延伸可起到一定的導(dǎo)向作用，鉆孔的集中應(yīng)力會(huì)局部

6、影響水壓裂縫的擴(kuò)展方向，但在地應(yīng)力作用下，水壓裂縫依然會(huì)穿過(guò)鉆孔繼續(xù)擴(kuò)展延伸。
　?。?）在地應(yīng)力場(chǎng)與煤層頂?shù)装宓墓餐饔孟?，根?jù)水壓裂縫最后的擴(kuò)展形態(tài)總體為橢圓形特征，給出了橢圓形周圍的塑性區(qū)計(jì)算公式，認(rèn)為塑性區(qū)是煤層水壓裂縫周圍主要的卸壓增透區(qū)，是瓦斯抽采鉆孔優(yōu)化布置的重點(diǎn)區(qū)域。根據(jù)煤層抽采鉆孔無(wú)盲區(qū)的要求，建立了抽采鉆孔布置的優(yōu)化模型，得到了瓦斯有效抽采半徑的孔間距為3R。依據(jù)地應(yīng)力作用下的水壓裂縫形態(tài)、擴(kuò)展方向及裂縫周圍的

7、塑性區(qū)分布，對(duì)煤層壓裂前后穿層抽采鉆孔與順層抽采鉆孔的布置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；并提出了現(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)鉆孔單孔瓦斯抽采量考察水壓裂縫的擴(kuò)展延伸方向，以此實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采鉆孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)地應(yīng)力與地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，把水力壓裂與瓦斯抽采相結(jié)合，提出一套地應(yīng)力作用下的“選擇-判斷-壓裂-鉆孔-抽采”一體化的水力壓裂與抽采瓦斯工藝體系。
　?。?）水力壓裂在逢春煤礦的工業(yè)應(yīng)用表明，單一煤層的水力壓裂提高了煤層透氣性，增加了煤層的瓦斯抽采量，加快了煤層巷道