煤巖體水力壓裂裂縫擴展及對瓦斯運移影響研究.pdf

1、隨著煤礦開采深度的增加,煤與瓦斯突出危險性不斷增加。對于低滲透性且具有突出危險的煤體,如何有效降低煤與瓦斯突出危險性是亟待解決的重大安全科技問題。煤巖體水力壓裂是低滲透煤體瓦斯抽采、突出煤體消突的有效技術(shù)途徑,尤其是對于單一低滲突出煤體。煤巖體水壓裂縫的擴展及瓦斯運移是決定煤巖體水力壓裂效果的主要因素。為此,本文以煤巖體水壓裂縫擴展及瓦斯運移為主要研究對象,采用理論分析、數(shù)值計算和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法,系統(tǒng)、深入地研究了煤巖體水力壓裂裂

2、縫擴展及對瓦斯運移影響。主要研究內(nèi)容包括：
　?、俳⒘嗣簬r體水力壓裂滲流—損傷耦合數(shù)學模型,該模型采用統(tǒng)計方法來表征煤巖體參數(shù)的非均勻性,涉及了滲流場和應(yīng)力場的耦合作用,內(nèi)含彈—脆性、彈性軟化和彈性弱化3種損傷本構(gòu),考慮了損傷的演化過程及其對滲透率等物理參數(shù)的影響;提出了該數(shù)學模型的耦合迭代求解算法,并利用Matlab軟件進行有限元編程實現(xiàn)了數(shù)值求解,通過與商業(yè)軟件計算結(jié)果及理論解析解的比較,驗證了該數(shù)學模型及其數(shù)值解法的正確性

3、;系統(tǒng)研究了煤巖體的非均勻性、初始地應(yīng)力場和鉆孔孔徑對水壓裂縫起裂、擴展的影響,研究了預先水力割縫導向壓裂法和多孔控制壓裂法的水壓裂縫控制機制及影響因素,研究結(jié)果為現(xiàn)場水力壓裂參數(shù)設(shè)計及控制壓裂提供了理論依據(jù)。
　?、趶乃毫羊?qū)趕瓦斯效應(yīng)、改變瓦斯流態(tài)和影響瓦斯吸附解吸特性三方面研究了煤巖體水力壓裂對瓦斯運移的影響。提出了煤巖體水力壓裂與瓦斯抽采統(tǒng)一數(shù)學模型,并應(yīng)用于壓裂后的瓦斯抽采數(shù)值模擬,研究壓裂后的瓦斯運移規(guī)律;數(shù)值計算結(jié)

4、果表明,損傷單元的煤體瓦斯壓力降低明顯,說明水壓裂縫處的煤體透氣性得到改善,形成了新的“更寬闊、通暢”的瓦斯運移通道,顯著提高了瓦斯抽采效果。研究結(jié)果對現(xiàn)場壓裂鉆孔和瓦斯抽采鉆孔布置優(yōu)化具有指導意義。
　?、刍诿簬r體變形模型、水壓裂縫面內(nèi)流體壓降模型和水壓裂縫擴展模型,建立了低滲透煤巖體水力壓裂單一裂縫擴展數(shù)學模型,提出了該數(shù)學模型的數(shù)值求解算法,并利用 APDL二次開發(fā)語言實現(xiàn)了數(shù)值求解。確定了注入壓力、煤巖體彈性模量、初始地

5、應(yīng)力場以及壓裂液黏度對水力壓裂單一裂縫擴展的影響規(guī)律。研究結(jié)果為現(xiàn)場水力壓裂施工作業(yè)參數(shù)選擇提供理論指導。
　?、芑诿后w注水難易程度的6個判別指標,構(gòu)建了煤巖體水力壓裂后注水難易程度的Fisher判別模型和可拓判別模型。工程實例判別結(jié)果表明,2種方法的判別結(jié)果與工程勘察分類、模糊聚類法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的結(jié)果一致或更好,實現(xiàn)了壓裂后煤體注水難易程度的科學評價和分類,為水力壓裂后進一步采取靜壓注水措施的可行性判斷提供了參考依據(jù)。

6、　　⑤基于水力壓裂裂縫擴展規(guī)律及其對瓦斯的運移影響理論研究,并兼顧考慮煤礦井下施工條件和瓦斯抽采等制約因素,提出了煤巖體水力壓裂技術(shù),該技術(shù)集煤巖體增透、瓦斯驅(qū)趕、抽采與注水濕潤于一體。煤巖體水力壓裂現(xiàn)場試驗結(jié)果表明,水壓裂縫的擴展經(jīng)歷了“閉合—張開—產(chǎn)生新裂縫”的過程,隨著壓裂孔與水壓裂縫前沿距離的增大,水壓力沿程衰減,水壓裂縫擴展所需的水壓不斷增大;壓裂后的考察鉆孔和壓裂鉆孔中的瓦斯?jié)舛仍黾?驗證了水力壓裂的驅(qū)趕瓦斯效應(yīng)?，F(xiàn)場瓦斯抽