煤層水力壓裂裂縫擴展規(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手段，結(jié)合理論分析和現(xiàn)場應(yīng)用等研究方法，研究地應(yīng)力對煤層水力壓裂裂縫擴展規(guī)律的影響，同時提出了地應(yīng)力作用下基于裂縫擴展規(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)試驗系統(tǒng)對煤巖及頂?shù)装宓牧W(xué)性質(zhì)進行了測試，為煤巖和頂?shù)装逑嗨撇牧现谱魈峁┗A(chǔ)。通過壓汞試驗研究了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)力方向為北西向。
　?。?）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展延伸條件，認為煤層水力壓裂是水壓主裂縫與分支裂縫交替擴展延伸的過程，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展的擬三維模型，預(yù)測水壓裂縫的擴展形態(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。
　?。?）對模擬煤巖的相似材料進行

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)計煤層水力壓裂的物理模擬試驗，應(yīng)用大尺寸真三軸水力壓裂試驗系統(tǒng)進行了煤層水力壓裂裂縫擴展規(guī)律的研究。結(jié)果表明，水壓裂縫基本在煤層中擴展，總體形態(tài)為橢圓形，縫高隨裂縫擴展而變化；裂縫沿垂直于最小水平主應(yīng)力的方向擴展，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，水壓裂縫的擴展是隨機的，一旦形成裂縫面，裂縫將沿著優(yōu)勢破裂面擴展，沿其中一個水平主應(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，水壓裂縫將穿過預(yù)制裂隙繼續(xù)擴展。在兩個煤層的聯(lián)合壓裂過程中，水壓裂縫可以在兩個煤層中擴展延伸。煤層鉆孔對水壓裂縫延伸可起到一定的導(dǎo)向作用，鉆孔的集中應(yīng)力會局部

6、影響水壓裂縫的擴展方向，但在地應(yīng)力作用下，水壓裂縫依然會穿過鉆孔繼續(xù)擴展延伸。
　?。?）在地應(yīng)力場與煤層頂?shù)装宓墓餐饔孟?，根?jù)水壓裂縫最后的擴展形態(tài)總體為橢圓形特征，給出了橢圓形周圍的塑性區(qū)計算公式，認為塑性區(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)化布置的重點區(qū)域。根據(jù)煤層抽采鉆孔無盲區(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)、擴展方向及裂縫周圍的

7、塑性區(qū)分布，對煤層壓裂前后穿層抽采鉆孔與順層抽采鉆孔的布置進行了優(yōu)化設(shè)計；并提出了現(xiàn)場可通過鉆孔單孔瓦斯抽采量考察水壓裂縫的擴展延伸方向，以此實現(xiàn)瓦斯抽采鉆孔的優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)地應(yīng)力與地質(zhì)構(gòu)造特點，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