高瓦斯低渗透煤层切槽致裂增透机理及数值模拟研究

2018-12-04李耀谦

中国煤炭 2018年11期

李耀谦张俭

(1.阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西省阳泉市，045000；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710077)

随着中国浅部煤炭开采殆尽，逐渐向深部区域延伸，瓦斯灾害问题越来越严重。瓦斯抽采是煤矿瓦斯灾害防治及瓦斯资源化利用的根本，而高瓦斯低渗透煤层透气性差，瓦斯抽采难度大是世界性难题，严重制约中国深部煤炭资源高效开采。只有通过科学的增透手段，才能实现低渗透煤层煤与瓦斯共采的目标。国内外研究及实践证明，对于低渗煤层，常规的钻孔抽采方法效果不理想，无法实现高效瓦斯抽采，煤层卸压增透是增加煤体渗透性的有效方法，因此，研发煤层高效卸压增透技术对于高瓦斯低渗透煤层矿区具有必要性，对提高和促进矿井的安全高效生产以及瓦斯资源化利用意义重大。

已有理论研究及现场应用表明，高压水力化措施能够显著提高煤体渗透性及钻孔瓦斯抽采能力。煤层钻孔切槽致裂增透技术的基本原理是采用水力切槽与水力压裂联合作用于致裂钻孔，人为地改变钻孔周围煤体的应力场、瓦斯流动场，同时使缝槽周围煤体变形损伤，从而大幅提高目标煤体的渗透率。现阶段针对煤层切槽致裂增透技术在理论研究方面存在的不足，本文将系统研究切槽致裂增透机理及数值模拟不同条件下的煤层增透效果。

1 低渗透煤层切槽致裂增透机理分析

煤层钻孔开挖前，煤体处于三向受压的应力环境，并处于稳定平衡状态；钻孔开挖后，破坏了围岩的应力平衡状态，引起应力重新分布，通过在煤层钻孔内水射流切槽后煤体应力场发生改变，钻孔周围卸压区和应力集中区范围显著增大，通常情况下钻孔的半径约为50 mm，而孔内水射流切槽半径通常可达500～800 mm。煤层钻孔内水力压裂过程中，当起裂压力满足高于煤岩体断裂强度条件时，煤岩体将发生破坏损伤，并产生裂隙扩展。在不考虑构造及大裂隙弱面影响的情况，即在理想的条件下，只要起裂压力足够高，压裂主裂缝将持续发展。

基于以上煤层钻孔内水射流切槽增透与水力压裂增透的分析，提出了低渗煤孔内切槽联合水力压裂控制增透工艺。水力压裂钻孔周围分布水射流切槽钻孔，先对水射流切槽钻孔进行切槽作业，在切槽围岩应力趋于稳定后再进行水力压裂钻孔的水压致裂作业，切槽联合水力压裂控制增透模型见图1。

图1 煤层钻孔内切槽联合水力压裂控制增透模型示意图

1.1 控制单元内的切槽煤岩卸压应力场-损伤场的重构效应

通过切槽煤岩卸压增透机制分析可知，钻孔内水射流切槽后，钻孔周围应力场发生改变，特别是垂直于切槽面方向的应力，将发生显著改变；在采用孔群增透方法时，随着切槽钻孔煤体破坏及应力向远离钻孔中心的方向转移，将改变相邻的水力压裂钻孔周围的原始应力场。同时，切槽卸压塑性区的形成，使得在控制单元内形成宏观裂隙弱面，卸压塑性区周围煤体由三向应力改变为二向应力状态，煤体抗压拉强度降低。

煤层切割开槽后，煤岩体内将产生二次应力场σ′和应变场ε′，σ′满足：

(1)

式中：Vm——煤体所占的体积；

sk——边界面s中裂隙所占面积；

nj——j方向的法向量。

1.2 水力压裂导控与裂隙网构建效应

水力压裂措施后控制单位内煤岩应力场发生改变，当水力压裂主裂隙扩展至应力集中区时，裂隙扩展方向将发生改变，当主裂缝扩展进入切槽应力集中区时，受切槽卸压塑性区煤体损伤破坏的影响，根据裂隙沿裂隙弱面扩展原理，切槽损伤弱面将导向水力压裂主裂缝的扩展，构成水力压裂主裂隙与切槽卸压损伤场的连通，形成切槽与压裂联合的裂隙网络。通过切槽致裂作用促使新生裂隙二次贯通突破切槽应力集中区的瓶颈效果，从而大大提高目标煤体周围的渗透率。

根据Shi and Durucan有效应力-渗透率方程，煤体卸压区渗透率沿x向和y向表示为：

(2)

式中：kx、ky——沿x、y向渗透率，m2；

kx0、ky0——沿x、y向初始渗透率，m2；

σx1、σy1——沿x、y向应力，MPa；

σx0、σy0——沿x、y向初始应力，MPa；

cf——应力影响系数。

从式(2)可知，当应力降低时，渗透率会增大；应力增大时，渗透率降低。

基于煤体在加载损伤中的渗流特征试验分析可知，在全应力-应变过程中，煤体的渗透率先降低，然后快速增大至峰值应力后再降低，因此，在未达到峰值应力前，煤体裂纹扩展或裂隙越发育，煤体渗透率越大。根据Poiseulle方程流量q为：

(3)

式中：m——微元内含裂纹数目；

l——裂缝长度，m；

b——裂缝宽度，m；

L——煤体长度，m；

μ——渗流介质粘度，Pa·s；

Δp——煤体两端压力梯度差，MPa。

由达西定律可知：

(4)

式中：A——裂缝截面面积，m2。

因此，煤层渗透率k为：

(5)

式中：k——煤层渗透率。

在假设裂纹的尺寸参数不变及应力条件不变的情况下，煤体渗透率随煤体损伤裂纹数量增大而增大。

2 煤层钻孔切槽与水压致裂裂隙演化规律分析

2.1 数值模型建立

数值模型按照平舒煤矿81115底抽巷区域82煤层赋存条件，采用RFPA-2D FLOW建立数值模拟，模拟分析煤层内切槽致裂应力-裂隙渗透率演化特征。模型沿走向长度取20 m，高度取15 m，煤层平均厚度3 m，从上到下由覆盖岩层、煤层、底板岩层组成，如图2所示。模型划分成300×400共120000个单元。在模型顶部加8 MPa的均布载荷来等效上部400 m的岩层自重，侧压系数取1.5，即水平应力为12 MPa。边界条件为：两端水平约束，可垂直移动；底端固定约束。煤岩体的力学及渗流参数见表1。

图2 数值计算模型

表1 煤岩体力学及渗流参数表

为了对比分析单一增透措施(压裂或切槽)和切槽致裂协同措施的卸压增透效果，模拟试验分为单一压裂措施、单一切槽措施、切槽和压裂协同措施三组，如图3所示。其中，压裂钻孔孔径为0.2 m，切槽高度0.2 m，宽度0.8 m；其中切槽与压裂协同作用时，切槽中心距压裂孔中心间距为8 m。

图3 模拟试验设计

2.2 单一压裂方案下裂隙扩展

单一压裂方案下裂隙扩展如图4所示。在起裂阶段，钻孔周围压裂主裂隙沿着水平方向扩展，由于初始最大主应力沿水平方向，根据裂隙起裂扩展与地应力的关系，压裂最初起裂方向为水平方向，如图4(a)所示；随着裂隙形成，裂隙扩展区域煤体应力降低，裂隙扩展前端出现应力集中，围岩应力分布发生改变，此时的裂隙扩展发生改变，复杂的应力状态使得裂隙扩展变得无序，即方向难以控制，如图4(b)所示；随着裂隙的无序扩展，裂隙扩展范围增加，应力卸载范围增大，当裂隙发育到顶底板交界弱面时，裂隙扩展沿着弱面发育，本模拟中主要沿着顶板面扩展；当裂隙扩展到一定程度时，就进入压裂瓶颈期，这也与现场压裂情况一致。

图4 单一压裂方案下煤体裂隙扩展过程

图5 切槽与压裂协同作用下煤体裂隙扩展分布

2.3 切槽协同压裂方案下裂隙扩展

切槽协同压裂方案下的煤体裂隙扩展如图5所示，切槽完成后，缝槽周围出现明显的卸压区，切槽端部出现应力集中；由于缝槽的存在改变了压裂钻孔处应力场分布，使得压裂孔区域初始最大主应力方向由沿水平方向变为沿竖直方向，导致在初始起裂阶段，主裂隙沿着竖直方向扩展如图5(a)所示；随着竖直方向裂隙形成，在裂隙上下尖端出现水平应力集中，裂隙扩展方向逐渐发生改变，裂隙扩展区域应力降低，整体沿水平方向扩展如图5(b)所示；随着裂隙发育到顶底板交界弱面时，即沿着弱面发育；在压裂过程中，煤体中水分不断增加，使得煤体发生软化，强度降低，割缝缝槽周围煤体也逐渐发生破坏，形成弱面，最终诱使压裂裂隙与切槽沟通如图5(c)所示。切槽卸压影响区与水压致裂影响区连通后，形成较大范围的卸压面。

3 煤层钻孔裂隙扩展煤岩声发射分布规律分析

不同卸压增透方法的原理都是破坏煤体原始结构，改变应力场分布，弱化物理力学性质，最终达到提高煤体透气性和消突目的。当煤体发生破坏时，其对应的物理力学性质也将降低，同时渗透性大大增强。因此，通过考察煤体破坏情况(声发射情况)可以对比不同措施的效果。3种不同方案最终时刻声发射情况如图6所示，单一压裂过程中，声发射主要沿水平方向分布，分布较集中，主要位于主裂隙扩展间断区域；切槽面受尺度影响，声发射时间不发育，仅存在于缝槽周围，范围较小；压裂与切槽协同方案声发射范围连为一体，声发射沿不同方向发散式分布，在切槽面与主裂隙扩展区域声发射较发育。

图6 不同方案煤体声发射情况

以上现象表明，切槽能够有效影响压裂钻孔周围应力分布，改变主裂隙的扩展方向，在主裂扩展进入切槽影响区时，在切槽的影响下形成裂隙的导向扩展，并形成整体裂隙沟通区。

4 煤层增透钻孔整体应力分布特征

比较单一压裂和压裂切槽协同两种方案的最大主应力分布特征，研究区域如图7所示，定义单一压裂方案3条监测线对应的数据标签为Top1、Middle1、Bottom1，压裂与切槽协同方案对应的数据标签Top2、Middle2、Bottom2。

各个位置最大主应力分布线如图8所示，总体来看，在靠近煤层上部和下部，协同措施要明显低于单一压裂，卸压效果较好；在煤层中部，单一压裂要略低于切槽-压裂协同措施，主要受切槽端的应力集中，造成了局部应力的增大；考虑到煤层卸压增透措施的整体效果，切槽-致裂协同措施的卸压效果要显著单一压裂。但是，从主应力分布曲线也可以看出，在切槽远离压裂钻孔的一侧，包括顶底板区域，出现了较高的应力集中现象，受数值模拟模型的限制，在实际应用中，可以通过布置多组压裂钻孔和切槽消除尖端效应。