吕家坨矿注水压裂增透参数模拟分析

安雪梅，牛宝云，孟凡春

(1.华北理工大学，河北 唐山 063009；2.唐山学院，河北 唐山 063000；3.开滦(集团)有限责任公司吕家坨矿业分公司，河北 唐山 063000)



吕家坨矿注水压裂增透参数模拟分析

安雪梅1，牛宝云2，孟凡春3

(1.华北理工大学，河北 唐山 063009；2.唐山学院，河北 唐山 063000；3.开滦(集团)有限责任公司吕家坨矿业分公司，河北 唐山 063000)

煤层注水；压裂增透；数值模拟；瓦斯抽采

结合吕家坨矿煤层赋存情况，运用数值模拟软件RFPA2D分析不同开采条件下煤体裂隙的发育规律，确定试验煤层的有效注水半径范围。通过模拟分析，吕矿主采7#工作面煤层注水压力在15～21 MPa时在0～22 m范围内围岩明显卸压，破坏了煤体的完整性，形成贯通裂隙，为瓦斯释放提供了通道。现场测试在6375工作面进行，在预定的范围内产生了良好的增透效果。瓦斯抽采效果增加明显，从而确保矿井安全高效生产。实现了排放瓦斯，消除瓦斯超限现象，同时也有效地降低了工作面的粉尘量，改善了工作面的环境。

0 引言

我国煤层的地质情况比较复杂，赋存条件较为多变，煤与瓦斯突出、煤尘、工作面回风流中的瓦斯、冲击地压、火灾与高温是威胁我国煤矿安全生产的重大灾害。尤其是在当下，煤炭经济下行压力极大，矿井经济效益逐步下降的情况下，矿井安全越来越受到生产形势的影响[1]。煤层埋深越高煤层瓦斯含量和压力越大，经过工作面的风流瓦斯含量增高，工作面瓦斯浓度易超限，工作面的环境恶劣程度大幅度提高，灾害的发生率和严重程度也随之增加。

煤层注水通常指的是在回采工作开始前在工作面煤层中布置钻孔，并将高压水注入钻孔，具有压力的水会沿着裂隙渗入煤体[2]，煤与瓦斯之间的两相平衡体系遭到破坏，煤、水与瓦斯的三相平衡体系随之形成，在这个体系中各因素会产生作用，从而改变煤的内部微观和宏观结构性质。煤尘、冲击地压、煤的自燃发火、煤与瓦斯突出等灾害的发生率都会降低[3]。作为结构多孔的煤，原始裂隙是煤体的主要组成成分，再生裂隙大多是在煤体的开采过程中产生的。裂隙的贯穿程度，直接影响着煤体透气性[4]。一些透气性低的煤层，一般通过煤层增透的方法优化煤层瓦斯的抽排效果。具体指的是，高压水沿着裂隙进入煤层中，高压作用使裂隙得到发育，高压水对媒体中各种薄弱面产生高净压，随着净压力的增大裂隙得到再次发育和贯穿，从而使煤体的孔隙率增加，煤层透气性和煤体增透范围均有增大。在此情况下，煤体瓦斯的抽排半径增大，煤与瓦斯的突出性得到降低[5]，从而确保矿井安全生产。煤层注水可以使煤体开采过程中，煤颗粒与水分子相融合，从而降低扬尘，改善工作面环境。

1 水力压裂数值模拟分析

在深入调查和分析吕家坨矿相关地质资料的基础上，结合矿井主采7#煤层生产活动的实际情况，对比多种数值分析软件的优缺点和最佳适用条件后，最终采用RFPA2D-F1ow数值模拟软件，建立吕家坨矿7#煤层注水压裂增透的数学模型，模拟分析不同注水压力对煤层裂隙发展的影响。综合考量多方面因素，建立3种数值分析模型，尽可能地考量和计算多种因素对煤层注水压裂增透时煤层裂隙发育的影响。从而探究和发现注水压裂时煤层裂隙的发展规律，为吕家坨7#煤层瓦斯抽采，尤其是低透性注水压裂煤层的瓦斯抽采提供技术和理论指导，同时，为吕家坨矿瓦斯抽采积累相关数据和经验。

1.1 水力压裂增透模型建立

数值模拟软件RFPA2D-F1ow，可将试件由破坏前到破坏后的整个过程进行模拟。本软件应用于流体场和渗流场，能够模拟水力压裂整个过程中裂隙起裂、发育延伸、直至贯穿的过程。并且会以直观的二维示意图像展现出来，使结论显而易见。煤体，内部结构复杂多空隙，多层理性结构。从宏观上讲，牛顿力学只能解决煤体的宏观受力情况，并不能精确而又完全地阐释煤体内微观裂隙的发育情况。因此，数值模拟软件RFPA2D-F1ow对研究高压水力压裂增透效果，以及裂隙发育规律有重要作用[6]。

根据吕家坨矿现有煤层基本条件，选取该矿主采7#煤层主要工作面作为试验煤层，测定其基本煤层参数，以便建模时边界条件的设定。由现有理论可知煤体裂隙发育情况，与受煤体所受应力情况有关，因此考虑改变2个主要应力方向的参数，水平的应力和垂直的应力，并沿煤层走向垂直方向剖开分析整个裂隙发育。模型是围绕影响裂隙发育规律的注水压力因素进行建模的，旨在研究裂隙发育与注水压力的关系。

1.2 模型的建立

通过改变2个方向应力大小以确定裂隙发育规律，建立模型选定模拟参数，设定边界条件，将所建立模型划分成多个模块，以1：10比例进行建模，经测定7#煤层主要工作面水平应力为16 MPa，垂直方向的应力为12 MPa。模拟采取逐步增压的方法，选定1 MPa为初始注水压力，并且以1 MPa为梯度进行增压。得到如下模型和数据。

模型有若干个均匀单元组成，每个小单元大小为200×300尺寸，按照上表所给定参数设定模型属性，可将煤体看成均匀介质，考虑自重应力影响，不考虑煤层与岩层接触，不考虑顶底板的影响。模型边缘进行固定约束，设定一段初始裂隙，然后改变注水压力参数，模拟不同注水压力下裂隙发育程度和范围。

在同一模型条件下，考虑围岩自重应力，分析不同增透水压下，裂隙的发育程度和阶段，其发生主要变化的分布图如图1所示。

(a) 增透水压为11 MPa (b) 增透水压为15 MPa

通过对图1分析可知，可将高压水力压裂增透由开始到裂隙贯穿的过程分为以下几个步骤：第1步当注水压力在11 MPa时，裂隙基本没有起裂，只是简单地将水充满裂隙空间，煤体所发生的形变不足以使裂隙得到剪切而发育；第2步在注水压力超过14 MPa，达到15 MPa时，裂隙随注水压力增大，裂隙发育范围更加明显。

1.3 应力变化趋势

由图1可知，煤体裂隙发育破坏了煤体压力平衡，当平衡破坏时最大主应力逐渐减小，直至消失，并且距离压裂空孔越近的最大主应力越小[7]。当平衡破坏时最小主应力也逐渐减小，直至消失，并且距离压裂空孔越近的最小主应力越小[8]。煤体裂隙发育与最大主应力方向大致相同。

从煤体裂隙发育开始，煤体渗透率开始增加[9]。煤体的渗透率随裂隙发育而逐渐增大，裂隙密度越高，渗透率越大。

2 煤层注水压裂试验

煤层注水是通过钻孔向工作面前方煤体进行注水，使煤体得到充分湿润，以增加瓦斯的吸附力，从而达到降低煤尘产生、减少突出危险、促进瓦斯治理的目的。

为了充分验证注水压裂方法在吕家坨矿区试验效果，进一步确保矿井回采工作面安全生产，在充分考量矿井实际生产情况的基础上，在井下选取适合吕矿7#煤层6375回采工作面进行试验。最终取得了不错的注水压裂增透效果，煤层透气性增加明显，抽采钻孔有效影响半径增大，瓦斯抽采量增加较多，回风流中瓦斯浓度下降明显。同时，由于注水效果较好，采煤工作面降尘效果良好，工作面煤尘浓度下降明显，工作面回采环境得到较大改善。

2.1 6375工作面基本情况

(1)工作面基本情况

吕家坨矿6375工作面，所在水平为-950 m水平，具体位置位于第3采区，在本采区的7#煤层主石门的左侧。为该水平内7#煤层地质条件最为复杂的采面，回采区域内断层较多，煤层瓦斯压力和含量明显大于同水平其他工作面。该工作面回采初期，回风流中瓦斯浓度较高，有超限的危险，同时，回采工作面煤尘浓度较高，工作面作业环境较恶劣。

(2)工作面地质概况

A1煤层为复结构煤层，含夹石1～2层总厚为0.3 m，其煤层结构为1.3(0.1)0.3(0.2)1.94，平均煤厚为3.80 m，煤厚从北向南逐渐变厚。本工作面的直接顶的首次垮落步距范围为6～10 m，该顶板为Ⅱ类中等稳定顶板。老顶的首次来压，垮落步距39 m，老顶的周期来压的垮落步距为23 m，经分析可知工作面的老顶级别为Ⅱ级。

2.2 6375工作面注水压裂试验

6375工作面注水压裂试验分为2个阶段：前期对工作面回采端面进行短臂静压注水，主要目的是对回采工作面进行降尘，改善回采工作面作业环境，确保采面高效安全生产；后期在6375工作面巷道两帮合适位置施工50 m以上深度的钻孔，由乳化液泵站泵给高压水，进行高压注水压裂。注水压裂完成后，通过观测工作面煤层瓦斯压力测定钻孔的瓦斯压力变化数据，从而确定此次注水压裂试验的效果。

(1)6375工作面端面短臂注水试验

工作面短臂注水降尘

短臂注水采用矿井净压防尘系统供水，全矿的供水网络在所有巷道两邦都有供水管路，管径为108.00 mm无缝钢管，皮带巷每50 m 1个，其它巷道每100 m 1个。各个阀门上接1条长不少于50 m(皮带巷30 m)的胶管，直径为10 mm。工作面短臂钻孔注水的压力一般较低，通常情况下采煤工作面的压水注水方式，注水压力控制在4～5 MPa。煤层注水时间的把握要以煤壁上"挂汗"情况为主，如果在理论裂隙范围内均出现上述现象，则表示注水完成。

图2所示为工作面短臂钻孔注水示意图：

图2 工作面短臂钻孔注水示意图

(2)6375回采工作面煤层高压注水压裂试验

采用煤体打钻孔、高压乳化液注水的方式，配套使用专用压力流量计，抗震高压水表工作压力为60 MPa。采用煤体打钻孔、矿井净压供水系统净压注水的方式，注水钻孔布置在工作面轨道巷、皮带巷中，钻孔距顶板为1.0 m。注水期间压力维持在20～35 MPa，同时确保注水期间管路密闭良好，无漏水现象。

高压注水钻孔主要参数如表1所示。

表1 注水主要参数表

2.3 工作面注水压裂技术的实施

(1)6375工作面注水压裂主要过程

选取6375工作面合适位置进行打钻、注水、压裂试验。柱塞泵输入水压为20 MPa，流量在180 ～210 L/min范围内波动，最终稳定在200 L/min左右。压裂20 min后，加大柱塞泵流量，使水压达到30 MPa，并保持稳定。此时，流量大小在380 L/min左右，注水压力1 h后，停止注水。

第2天，继续注水，柱塞泵输入水压为18 MPa，流量在190 ～210 L/min范围内波动，最终稳定在200 L/min左右。压裂20 min后，加大柱塞泵流量，使水压达到30 MPa，并保持稳定。此时，流量大小在380 L/min左右，持续注水9 h。在注水过程中至注水完成后一段时间内，密切关注巷道周围变化情况。

在注水孔右侧0～4.5 m范围内，巷道两帮、顶底板均有膨胀开裂现象，但未发现水流渗出。在注水孔左侧0～11 m范围内，巷道顶板有轻微渗水情况，且有少量喷浆掉落。在注水孔左侧11～15 m范围内，巷道顶板开裂明显，渗水量变大。在注水孔右侧30 m，裂缝贯穿发育较大，并伴有嘶嘶的气体喷出声。

第3天，继续在6375工作面进行注水，注水压裂位置选在了工作面的底板巷道。此处，压裂压力为35 MPa，流量为390 L/min。整体注水时间为4h3min。注水过程中至注水完成后一段时间内，巷道周围变化情况：距底板巷道注水位置0～4 m处，整体出现滴水现象；注水孔左侧4.3 m处，煤体相邻的岩体出现挂汗；在注水孔左侧11～15 m范围内，渗水位置趋于集中，并导致一处喷浆脱落。

(2)6375工作面注水钻布置

6375工作面注水压裂钻孔平面布置图如图3所示。注水压裂钻孔布置依据的基本原则是尽可能在经济、高效的基础上对煤层进行充分注水压裂。经过理论计算和现场实际考察，此次注水压裂增透试验钻孔间距一般控制在10 m左右，具体施工情况可根据回采工作面现场实际情况确定。可以适当增大和减少钻孔间距，但不可小于5 m。

图3 6375工作面注水及观测钻孔布置平面图

6375工作面注水钻孔布置的剖面图如图4所示。

图4 6375工作面注水及观测钻孔布置剖面图

2.4 工作面注水效果分析

由于6375工作面影响该工作面安全、高效生产的主要不利因素是瓦斯浓度易超限，同时，现有瓦斯抽采效果不显著，工作面瓦斯防治形势依然很严峻。因此，为了考察6375工作面注水压裂效果，首先需检验注水压裂后该工作面瓦斯浓度是否下降到安全指标以下。6375工作面瓦斯抽采检验钻孔布置方式如图5所示。

图5 抽采及观测钻孔布置示意图

在瓦斯抽采钻孔周围施工6个观测钻孔，1#钻孔距离抽采孔11 m，2#钻孔距离抽采孔10 m，3#钻孔距离抽采孔6 m，4#钻孔距离抽采孔7 m，5#钻孔距离抽采孔8 m，6 #钻孔距离抽采孔9 m。封孔后连接瓦斯压力表，当瓦斯压力表稳定后，开启瓦斯抽采泵，对抽采钻孔进行瓦斯抽采。随着抽采孔瓦斯抽采工作的正常进行，定期检测瓦斯压力观测钻孔瓦斯压力表的变化。统计相关记录资料，发现1#钻孔和2#钻孔的压力变化不明显，3#、4#、5#和6#观测钻孔瓦斯压力均有可观测到的变化。分析后认为，此2个钻孔距离抽采孔11 m以上，在抽采钻孔有效影响半径之外，所以在整个抽采有效时间内，此钻孔瓦斯压力变化不明显。分析整理和记录抽采期间前30 d的观测钻孔瓦斯压力变化，检测到3#～6#钻孔压力值变化结果如图6(a) 、图6(b)、 图6(c)和图6(d)中所示。

(a) 3#钻孔瓦斯压力变化图 (b) 4#钻孔瓦斯压力变化图

(c) 5#钻孔瓦斯压力变化图 (d) 6#钻孔瓦斯压力变化图

综合分析，抽采后3#钻孔内瓦斯压力由1.42 MPa下降到1.30 MPa。4#钻孔内的瓦斯压力由0.18 MPa下降到0.14 MPa；5#钻孔的瓦斯压力由0.93 MPa下跌到0.72 MPa，压力下降明显。6#钻孔下降程度一般，由1.49 MPa下降到1.42 MPa。由以上分析可知，由于6#钻孔与5#钻孔相比，瓦斯压力变化值小，因此6#钻孔瓦斯抽采对其影响较小，故认为不在有效影响半径之内，因此认为6375工作面注水对瓦斯抽采影响的有效半径约为8 m，与注水前抽采半径为5.3 m相比有效抽采半径提高约为1.5倍。有效抽采半径的增加，说明6375工作面注水压裂试验对该工作面煤层透气性提高较为明显。

3 结论

高压水力压裂增透由开始到裂隙贯穿的过程主要分为5个过程：

(1)当注水压力在0～11 MPa时，裂隙基本没有起裂，只是简单地将水充满裂隙空间，煤体所发生的形变不足以使裂隙得到剪切而发育。

(2)当注水压力在11～12 MPa时，由于煤体弹性形变进一步增大，破坏了一些薄弱面的平衡，在这些面上发生应力集中，裂隙得到初步发育，起裂裂隙产生。

(3)当注水压力在12～14 MPa范围内时，煤体裂隙空间的端部无法维持应力平衡，发生应力失稳，裂隙第2次得到发育，发育程度较为明显。

(4)当注水压力在14 MPa时，裂隙端部再次失稳，裂隙第3次发育并和其它裂隙贯穿，此时裂隙发育程度较高，渗透率较大。

(5)当注水压力超过14 MPa时，裂隙随注水压力增大，裂隙发育范围更加明显。

当水压为20～35 MPa时，压裂影响范围为15～30 m，且在11～15 m范围内压裂效果明显。通过对抽采钻孔进行测压试验，确定注水后6375工作面瓦斯抽采有效半径约为8 m。与注水前抽采半径为5.3 m相比，有效抽采半径提高到1.5倍，水力压裂效果显著。

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Simulation Analysis of Technical Parameters of Coal Seam Water Injection Fracturing Anti-reflection in Lyujiatuo Coal Mine

AN Xue-mei1, NIU Bao-yun2, MENG Fan-chun3

(1.North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063000, China; 2. Tangshan College, Tangshan Hebei 063000, China 063000; 3. Lyujiatuo Mining Branch, Kailuan (Group) Co., LTD, Tangshan Hebei 063000, China)

coal seam water injection; fracturing antireflection; numerical simulation; gas extraction

Combined with Lyujiatuo Coal Mine coal seam occurrence, using numerical simulation software RFPA to analysis coal crack growth law in different mining conditions, determine the effective test seam water injection radius. Through simulation, Lu mine mining coal seam water injection in 15-21 MPa and 0-22 m in 7# face rock within clear pressure relief, undermines the integrity of the coal formed through cracks, provided channels for gas release. Field tests conducted in 6375 working face, generated in the predetermined area a good antireflection effect. Gas drainage effect increased significantly, thus ensuring a safe and efficient production. Achieve emission gas to eliminate the phenomenon of disallowed gas concentration, but also effectively reduces the face amount of dust, improving the working environment.

2095-2716(2017)01-0017-07

TD712+.623

A