煤层水力压裂裂缝扩展演化特征及瓦斯渗流规律研究

秦 毅

（霍州煤电集团河津杜家沟煤业有限责任公司，山西 运城 043300）

引言

煤炭作为我国的基础能源，资源储量丰富，但整体覆存不均，在我国煤矿开采过程中，瓦斯问题一直制约着我国煤矿的正常生产，目前我国对煤矿瓦斯的治理主要是通过采排，但在实际生产过程中，由于煤层覆存条件较为复杂，岩层的渗透率较低，使得瓦斯抽采难度极大，所以如何提升低渗透煤层瓦斯抽采效率是矿井面临的重要课题。水力压裂作为水力化措施中增加煤层透气性的一种有效方法，通过对煤岩进行钻孔并封堵，后利用高压水对钻孔进行注水，使得钻孔出现压裂裂缝，裂缝进一步扩展形成裂缝网，从而提升煤岩孔隙率，从而实现高效抽采的目的，此前众多学者对注液压力、水平应力差等水力压裂参数下裂缝的扩展形态及裂缝参数进行过一定的研究。本文以杜家沟矿2104 工作面为研究背景，利用RFPA 模拟软件对水力压裂参数对压裂效果影响进行研究，为低渗透煤层瓦斯抽采提供一定的借鉴[1-2]。

1 矿井概况及数值模拟研究

杜家沟矿位于河津市清涧镇杜家沟村西北约3km处，井田面积9.89 km2，矿井设计生产能力0.60 Mt/a。现在主要开采山西组2#和太原组10#煤层，2# 煤层2.45 m～4.80 m，平均厚度3.59 m，属赋煤区稳定可采煤层，煤层顶板为泥岩、砂质泥岩，底板为砂质泥岩、粉砂岩组成，2104 工作面回采期间工作面瓦斯异常涌出，回采最大绝对涌出量为1.89 m3/min，瓦斯抽采效率较低，为此研究低渗透瓦斯抽采非常重要。

在地应力的作用下往低渗透煤层进行注水，使得岩石内部形成较大的能量聚集，能量聚集量一旦超过岩层破裂压力时，此时产生裂缝。裂缝按照其起裂形式的不同可分为水平裂缝和垂直裂缝，本文利用RFPA 软件对裂缝起裂进行研究，进行模型的建立，RFPA 数值模拟软件建模过程相对较为简单，首先进行模型的尺寸设计，考虑到应力的施加及形状对扩展的影响较小的情况选定模型长宽分别为20 000 mm×20 000 mm 的模型，在模型的内部开挖一个直径为100 mm 的圆孔，用于注液，完成模型的建立后对模型的网格进行划分，在进行网格划分时，考虑到模拟计算速度所以选定网格尺寸为200 mm×200 mm，模型的网格共有10 000 个，完成网格划分后对模型的物理属性进行设置[3-4]。物理参数设定，如表1 所示。

表1 模拟物理参数对照表

模型的破坏模型选定为摩尔库伦模型，对模型的四周施加应力载荷，水平及垂直方向应力差为0.5 MPa，模型钻孔内部设置值初始的水压为1 MPa，限制模型四周的移动，完成模型设立后，对不同注液压力下的模型压裂进行研究，不同注液压力下模拟云图，如图1 所示。

图1 不同注液压力压裂图

如图1 所示，不同注液压力下裂缝的扩展形态是不同的，当注液压力为1.5 MPa 时，此时的裂缝扩展长度较短，此时由于内部能量聚集较低，裂缝起裂瞬间释放的能量较少，使得岩石的裂缝扩展长度较低，而当注液压力增大至2.5 MPa 时，此时的裂缝扩展长度增加不明显，裂缝扩展的方向为沿着最大主应力方向，当注液压力增大至4 MPa 时，此时的裂缝扩展长度较1.5 MPa 和2.5 MPa 时有了明显的增强，裂缝的起裂位置仍沿着最大主应力方向，这是由于注液压力的作用使得钻孔发生起裂，由于最大水平应力的限制使得岩石起裂沿着更容易发生的方向产生即平行于最大主应力方向。同时通过对比发生注液压力越大，裂缝扩展速度越快及扩展的长度越长[5-6]。

对不同岩石弹性模量下岩石的起裂特性进行研究，选定注水压力为4 MPa，选定弹性模量分别为30 000、35 000、40 000 MPa，压裂图，如图2 所示。

图2 不同弹性模量下岩石压裂图

从图2 可以看出，在不同弹性模量下相岩石裂缝的扩展呈现减小的趋势，当弹性模量为30 000 MPa时，此时岩石内部裂缝扩展长度明显大于弹性模量35 000 MPa 和40 000 MPa，这是由于在相同的注液压力下，岩石内部能量的聚集程度大致相同，此时增大岩石的弹性模量使得相同裂缝扩展长度下需要的能量逐步增大，所以相同能量下的岩石裂缝扩展长度呈现减小的趋势[7-8]。

2 水力压裂技术现场实践

通对杜家沟矿2104 工作面进行水力压裂实验，压裂系统是由水箱、压力表、压裂泵组、溢流阀及封孔器等组成，首先进行岩层的钻孔，钻孔完成后对孔进行封闭处理，完成封闭后对钻孔进行注浆，完成注浆压裂后对瓦斯进行抽排，测得压裂前后瓦斯抽采量，验证水力压裂增透技术的可行性。首先对钻孔进行布置，在距离皮带巷30 m 的位置布置压裂钻孔1，观测孔位于压裂钻孔周边30 m 的位置，测试孔为未受水力压裂影响钻孔，用于对比验证，不同孔下的瓦斯抽采流量图，如图3 所示。

图3 不同孔下的瓦斯抽采流量图

如图3 所示可以看出，瓦斯抽排混流量随着时间的增加呈现逐步降低的趋势，这是由于随着抽采时间的增大，巷道内瓦斯含量逐步降低，所以抽采出的瓦斯量也呈现降低的趋势，观察测试孔发现，由于煤层属于低渗透煤层，所以在未进行水力压裂技术处理时，瓦斯抽采混流量较低，最大值为0.32 m3/min，此时的巷道内瓦斯问题仍然很突出，经过水力压裂处理后，此时巷道瓦斯抽采混流量为3 种钻孔中的最大值，此时的抽采混流量最大值为2.9 m3/min，此时抽采的混流量是未经水力压裂增透时的9 倍多，由于经过水力压裂处理，使得煤层内部裂缝众多，低渗透煤层的通透性提升，所以瓦斯抽采的效果最佳，观测孔由于靠近水力压裂钻孔，所以经过水力压裂处理后，裂缝出现扩展，裂缝扩展会延伸到观测孔附近，所以观测孔的瓦斯抽采混流量趋于测试孔与压裂孔之间。所以经过水力压裂后低渗透煤层的瓦斯抽排效果明显较佳，水力压裂对低渗透煤层增透技术可行[9-10]。

3 结语

1）杜家沟矿采用数值模拟软件以2104 工作面未工程背景对不同注液压力下的岩石压裂图进行研究发现，随着水力压裂注液压的增加，岩石裂缝扩展速度越快且扩展的长度越长。

2）对不同弹性模量下的岩石压裂图进行研究发现，随着岩石弹性模量的增加，在注液压力一定时，岩石压裂裂缝的扩展长度越短。

3）对水力压裂低渗透煤层增透技术进行现场实践发现，经过水力压裂后低渗透煤层的瓦斯抽排效果明显较佳，水力压裂对低渗透煤层增透技术可行。