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分 类 号 TD324 密级 全日制工程硕士学位论文 综采面煤层定向水压裂缝扩展规律研究 Fracture propagation Research on Directional Hydraulic Fracturing in Fully-Mechanized Face 申请人姓名 赵卫东 指 导 教 师 邓广哲 （校内） 范京道 （校外） 工 程 领 域 矿业工程 研 究 方 向 矿山压力与岩层控制 西安科技大学 二〇一五年六月 万方数据 论文题目综采面煤层定向水压裂缝扩展规律研究 工程领域矿业工程 硕 士 生赵卫东 （签名） 指导教师邓广哲（校内） （签名） 范京道（校外） （签名） 摘 要 论文以陕西省红石岩煤矿开采条件为背景，针对综采工作面煤层定向水力压裂问 题，通过岩石力学实验、理论分析、数值计算和现场试验观测等综合手段，研究了坚硬 煤层定向水力压裂超前预裂，增加和扩展综采面煤层裂隙提高块煤率的机理。分析了影 响综采面煤层裂缝扩展因素及煤体物理力学参数和定向压裂工艺参数； 分析了定向切槽 钻孔和未切槽钻孔，以及在不同切槽钻孔参数下煤层的应力分布和裂缝扩展的演化过 程。确定了红石岩煤矿综采面定向水力压裂技术与工艺参数。现场应用结果证明了预裂 工艺参数的有效性。 本文首先对影响综采面煤层裂缝扩展的煤体物理力学参数进行实验测定分析， 以及 对采用定向水力压裂技术的预裂器主要参数进行了分析研究。 得到了煤岩体力学参数与 含水率之间的关系，确定了工艺参数压力的范围，为压裂设备的开发提供依据；确定了 预裂器主要参数，为施工工艺参数的选择提供了依据。 然后通过分析红石岩煤矿煤层赋存的地质条件，运用 RFPA-Flow 模拟软件分析了 定向压裂切槽钻孔与未切槽钻孔， 以及不同参数切槽钻孔在高压注水时应力场的变化规 律以及煤层中裂缝的演化过程，总结煤层在定向水力压裂条件下的裂缝扩展规律。定向 水压裂缝在一定范围内可控，能够形成比未切槽钻孔较多的裂缝群，在采煤机扰动和煤 块自重作用下，就会形成较多块煤，提高了块煤率。 最后，在红石岩煤矿 12406 综采工作面进行定向水力压裂技术的应用，对压裂工艺 参数进行现场监测并优化。试验结果证明，采用定向水力压裂技术后，块煤率有了较大 的提高，切槽预先释放了综采面采动集中应力，释放了煤层中瓦斯，预防了工作面支架 冲击灾害。采煤机割煤速度也提高，材料消耗率下降，原煤产量增加，工作面粉尘降低， 对综采工作面高效开采和安全生产具有重要意义。 关 键 词裂缝扩展；定向水力压裂；块煤率；数值模拟 研究类型应用研究 万方数据 *本研究得到红石岩煤矿提高块煤率技术研究 （2014）课题资助 *本研究得到冲击灾害煤岩压裂软化新材料及装备陕西省“13115”科技创新工程重大科技专项 项目（2009ZDKG57）相关项目资助 万方数据 Subject Fracture propagation Research on Directional Hydraulic Fracturing in Fully-Mechanized Face Specialty Mining Engineering Name Zhao Weidong （（Signature）） Instructor Deng Guangzhe （（Signature）） Fan Jingdao （（Signature）） ABSTRACT Taking Hongshiyan coal mine mining conditions in Shaanxi Province into consideration, based on directional hydraulic fracturing problem in fully-mechanized face,through rock mechanics experiments、theoretical analysis、numerical calculation and field observations integrated approach Studied hard seam directional hydraulic fracturing advance presplitting technology mechanism, increase and extend fracture in seam to improve lump coal rate. By analyzing the impact of the expansion of the coal ation fracture mechanical parameters and directional fracturing technology; By analyzing about stress distribution between crack directional drilling and not expanded drilling in coal evolution. Under different grooving drilling parameters, coal seam stress distribution and the evolution of cracks were researched. Obtained directional hydraulic fracture technology and mechanical specifications in Hongshiyan fully-mechanized face.By field application the results show the effectiveness of presplitting process parameters. Firstly, the physical and mechanical factors of cracks on expansion were experimental measured and analyzed. Construction of directional hydraulic fracturing process parameters Presplitting device parameters studied, connection between coal-rock mechanical parameters and the moisture were studied, as well as the pre-splitting parameters, to provide a guidance for select the construction process parameters. Then through analyzing geological conditions of Hongshiyan mine, RFPA-Flow was applied to research directional drilling and fracturing grooving grooving not drilling, grooving and drilling of different parameters in the force field of high pressure water injection should variation and evolution of seam cracks, seams come under the law of crack propagation in the directional hydraulic fracturing conditions. directional hydraulic fractures controlled within a certain range, and can much more fracture compared with not grooving drilling crack. with Shearer disturbances and under its own weight, it will improve production. Finally, applying this directional hydraulic fracturing technology in Hongshiyan mine 万方数据 12406 fully mechanized coal face, the fracturing process parameters were optimized after on-site monitoring. it has proved that not only greatly improved the production, but also the slots previously released mining stress concentration of fully-mechanized face, released the gas in coal seam, prevented the impact of disaster of face support,improved the speed of shearer cutting coal, material consumption rate has dropped, increasing coal production, reducing dust of working surface. and behaving well in hard hypotonic gassy mine, which has important significance for efficient mining and production safety of fully-mechanized face. Key wordsFracture propagation； Directional hydraulic fracturing； Lump rate； Numerical Simulation Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题的背景及意义 ...................................................................................................... 1 1.2 煤岩体水力压裂技术国内外研究现状 ...................................................................... 2 1.3 提高块煤率研究现状 .................................................................................................. 5 1.3.1 理论研究方面 .................................................................................................... 5 1.3.2 工程应用方面 .................................................................................................... 7 1.4 研究目的、内容 .......................................................................................................... 8 1.4.1 研究目的 ............................................................................................................ 8 1.4.2 研究内容 ............................................................................................................ 8 1.5 技术路线 ...................................................................................................................... 8 2 煤体物理力学参数测定 ...................................................................................................... 10 2.1 煤体试样的制备 ........................................................................................................ 10 2.2 煤体水理性实验 ........................................................................................................ 11 2.2.1 煤体含水率测定 .............................................................................................. 11 2.2.2 煤体吸水率测定 .............................................................................................. 11 2.3 煤岩力学性质试验 .................................................................................................... 12 2.3.1 单轴抗压室验 .................................................................................................. 12 2.3.2 煤样劈裂试验 .................................................................................................. 15 2.3.3 抗剪强度试验 .................................................................................................. 16 2.3.4 一元线性回归分析 .......................................................................................... 18 2.4 本章小结 .................................................................................................................... 19 3 定向水力压裂参数分析 ...................................................................................................... 20 3.1 预裂器设计理论 ........................................................................................................ 20 3.1.1 预裂器喷嘴流量系数 ...................................................................................... 20 3.1.2 预裂器喷嘴内部流动分析 .............................................................................. 21 3.1.3 预裂器性能准则 .............................................................................................. 22 3.1.4 预裂器喷嘴结构和主要参数选择 .................................................................. 23 3.2 高压射流工艺参数 .................................................................................................... 27 3.2.1 主要工艺参数 .................................................................................................. 27 3.2.2 试验预裂参数 .................................................................................................. 31 3.3 本章小结 .................................................................................................................... 32 4 煤层定向水压裂缝扩展规律研究 ...................................................................................... 33 万方数据 目录 II 4.1 裂缝的扩展准则 ........................................................................................................ 33 4.1.1 裂缝应力强度因子 .......................................................................................... 33 4.1.2 岩石的断裂韧性 .............................................................................................. 34 4.2 裂缝扩展的数学模型 ................................................................................................ 34 4.2.1 裂缝扩展的二维数学模型 .............................................................................. 34 4.2.2 裂缝扩展的三维数学模型 .............................................................................. 36 4.3 定向水力压裂裂缝扩展的数值模拟分析 ................................................................ 38 4.3.1 定向压裂模型的建立 ...................................................................................... 38 4.3.2 定向压裂建模内容 .......................................................................................... 39 4.3.3 模拟结果与分析 .............................................................................................. 40 4.4 本章小结 .................................................................................................................... 50 5 定向水力压裂技术现场试验 .............................................................................................. 51 5.1 试验区域概况 ............................................................................................................ 51 5.1.1 矿井概况 .......................................................................................................... 51 5.1.2 试验工作面概况 .............................................................................................. 51 5.2 定向水力压裂技术现场试验 .................................................................................... 52 5.2.1 钻场的布置 ...................................................................................................... 53 5.2.2 施工工艺 .......................................................................................................... 53 5.2.3 现场监测 .......................................................................................................... 54 5.2.4 试验效果 .......................................................................................................... 54 5.3 本章小结 .................................................................................................................... 58 6 结论与展望 .......................................................................................................................... 59 6.1 主要结论 .................................................................................................................... 59 6.2 研究展望 .................................................................................................................... 59 致谢 .......................................................................................................................................... 61 参考文献 .................................................................................................................................. 62 附录 .......................................................................................................................................... 67 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景及意义 我国的能源资源丰富，其中煤炭资源的可开采储量为 622 亿吨，居世界第三位，煤 炭资源分布面广，全国 2100 多个县中，煤炭开采的就有 1100 多个，占 60％左右。2002 年至 2011 年是中国煤炭行业发展的黄金期，在这一时期，GDP 基本保持两位增长。然 而，从 2012 年起，由于我国国民经济结构开始调整、新兴节能产品的进步、能源需求 形式的变化、煤炭产能过剩、生活用能结构的变化等因素的影响，造成国内煤炭的需求 不断下滑， 亏损面由 2012 年的 20扩大到 2013 年的 25， 亏损深度由 10扩大到 25 左右，煤炭价格连续走低，煤炭产能过剩，与几年前相比，各类精煤、混煤的煤炭的售 价都有较大的下滑。 块煤的生产受煤层自身强度、地质条件、采煤工艺、转载过程等诸多因素影响，产 量只占原煤总产量的 10～30左右。在煤炭运送到地面中，因为转载点高差和割煤方 法的差别，形成块煤掉下时互相撞击，使块煤损毁的比较严重，块煤率在煤炭的运送环 节中降低了 20～30以上。因此现有综采工作面开采工艺条件下造成煤体过度粉碎， 全矿井的块煤生产率低下。据统计，现有煤矿全矿的块煤生产率不到 15，粉煤生产率 为 85左右。市场表现为粉煤的价钱是最低的，而块煤的价钱一般高于混煤的两倍， 市场价格表现，并且各种规格的块煤价钱相差在 100～150 元/t，下表 1.1 列出了各种规 格原煤的价目表。 表表 1.1 原煤销售价格表原煤销售价格表 品名 规格（mm） 价格（元/吨） 粉煤 90 900 煤矿作为一个资源型的企业，应该不断对市场进行调研，对产品的结构进行分析， 改变原有的生产管理模式，不能只是一味的强调量产，应该结合煤炭市场的需求、增加 和优化产品的结构， 积极地探索掌握提高块煤率的途径， 多出一些经济效益好的精块煤， 使企业能够获得更大的经济效益和广阔的发展空间。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 按照煤炭近些年的价格，块煤呈现出了极大的需求，因此很多煤矿企业加大了研究 如何提高块煤率的方法。然而对于不同矿井自身的煤层赋存条件，所采用的提高块煤率 的方法也有差异。 但块煤率低下的主要原因还在于企业没有从根本上找到克服块煤开采 控制难点的有效方法，可以说，我国煤炭产业技术发展和成熟的过程就是解决综采生产 各种困难的过程。虽然在 90 年代中期我国综采技术已居国际先进水平，但块煤开采技 术实际存在许多急待解决的问题，尤其对厚煤层块煤开采的技术和方法、以及提高块煤 采出率等方面问题依然十分突出。因此，能够系统地对提高煤块率的技术方法进行研究 是很有必要的， 不但能够缓解目前煤炭企业的困境， 也能够对我国的经济效益做出贡献。 根据西安科技大学邓广哲教授提出的综采面块煤开采的概念， 综采面块煤开采技术 应该是在现有的开采系统和开采工艺条件下，通过采煤设备改进、采煤工艺优化、煤壁 压力支护、煤层预裂技术等工艺提高工作面块煤生产比重的采煤方法。块煤开采技术的 评价标准，采用块煤率。块煤率即指工作面原煤生产中块煤所占的比重。 煤层预裂改造技术，就是通过增加煤体中的裂隙，对煤体进行超前预裂破碎。超前 预裂技术，是近几年国内外逐渐发展起来的一种新的采煤破碎技术，属于煤层大规模破 碎结构改造的整体性方法。与常见的深孔爆破和水力压裂技术一样，同属于国内外目前 常用主要技术措施之一。在国外，1950 年超前预裂采煤技术初步被关注和探索，其主要 针对高瓦斯矿井的采煤工作面而形成的。高压脉冲预裂作为一种新型高压预裂，近年来 得到快速发展，而其作为一种优秀的冷切割及破岩方式，在煤矿复杂的环境下具有很大 的优势及发展前景。高压脉冲预裂技术作为一种优秀的冷切割技术被用于各个工程领 域，由于其水的存在保证了在施工过程中无高温和明火、防尘、效率高等特点，预裂技 术用于矿井危险环境越来越被看好， 而且其利用自身的流动力效应增加煤层裂隙率和渗 透率，从而提高了瓦斯抽采率和煤尘的防治，对一些瓦斯抽采矿井和防煤尘矿井也具有 很大的优势。因此，煤层预裂改造采用高压脉冲预裂技术，对煤层进行超前预裂，提高 块煤率、瓦斯抽采率及降低煤尘。具有很好的经济效益和推广价值。 由于该方法具有清洁高效，低耗安全，块煤率可控，系统简单，成本低，效益好等 优点，是实现矿井清洁安全高效破岩的主要技术途径之一。结合邓广哲教授课题组前期 在多个矿井对水力致裂破岩技术的长期研究， 以及掌握了国内外煤矿破岩技术的发展前 沿。在分析红石岩煤矿煤层特点基础上，本文对提高块煤率采煤设备的优化、采煤工艺 的优化、煤壁压力的利用三个方面的改进措施进行简要分析，主要对采用高压脉冲预裂 破岩对煤层进行超前预裂改造技术方法以及成套装备的研发进行分析阐述， 以此控制综 采工作面块煤生产率，开发综采块煤开采成套技术和工艺。 1.2 煤岩体水力压裂技术国内外研究现状 当前，水力压裂技术的探究主要是从下面三个大的方向进行 万方数据 1 绪论 3 （1）水力致裂裂缝起裂和扩展行为规律方面 水力致裂裂缝起裂和扩展是水力压裂技术的核心。 目前探究水压裂缝起裂以及扩展 的机理依据岩石的抗拉强度准则、Mohr-Coulomb 准则、断裂力学的破坏准则[1-5]。 Detournay E[6]将水力压裂分为了不同的临界压力①破坏开始的压力；②失稳压力。 M.M.Hossain[7,8]认为一旦发生破坏，此时的破坏压力也许比失稳压力小得多，不会立刻 产生失稳。LU 和 Yew[9]通过研究上、下部裂缝的应力分布，对同一平面的任意两条裂 缝之间的关系进行了分析。邓广哲[10,11]对水力压裂技术在国内进行了较早的探究，并进 行了大量的现场试验， 根据其研究的核心指出放顶煤注水软化目的就是通过水压增加顶 煤裂缝的形成以及控制裂缝的形态。 采用地应力控制下的水力压裂方法针对坚硬顶煤中 封闭性裂缝与地应力、水压力等之间的相互影响进行了研究，建立了裂隙煤体注水软化 条件的物理判别式。李传亮[12-14]依据多孔介质的双重有效应力概念，给出了计算任意渗 透情况的岩石破裂压力的公式。 任岚[15]总结出了一种新的水力压裂岩石破裂压力的计算 方法。 对于水压裂缝形态的研究，最常用的是 PKN[16]，GDK[17]二维裂缝扩展模型和全三 维裂缝扩展模型[18,19]。邓广哲、黄炳香[20-22]等认为，由于使岩石裂缝扩展的水压力是 阶段性地，也就是说裂缝的扩展也是阶段性地变化。通过实践应用，当裂缝扩展的尖 端较远时，裂缝内的水压力会逐渐降低[23]。连志龙[24,25]采用 ABAQUS 建立了水力压裂 计算模型，给出了临界宽度的概念，可以作为判断裂缝是作为起渗透作用的孔隙通道 还是作为起导流作用的裂缝的依据。单学军[26]概括了水力裂缝的三种主要形态水平 裂隙、垂直裂隙、复杂裂隙。认为水力裂缝的起裂和扩展与压裂液性质、注入速度、 煤岩体物理力学性质以及钻孔内应力状态等有关[27-29]。 在试验研究方面，黄炳香[2,25]研制了 4000kN 真三轴岩体水力致裂模拟实验系统， 在 3 个主应力条件下，能实现试块尺寸最大为 500mm 500mm 500mm 的模拟实验，模 拟研究了水压裂缝的扩展规律。研究了水力致裂生成裂缝的形状，孔底水压裂缝与主应 力的关系，发现了中间主应力对孔底水压裂缝扩展的影响规律；分析了分叉水压裂缝扩 展方向的特征， 得出了原生裂隙等在渗透水压力作用下的结构破坏特征； 通过模拟实验， 得到水压裂缝的尖端呈现椭圆形态，且椭圆的长短轴之比保持不变；分叉后水压裂缝破 裂面的走向与 σ3、σ2 均垂直；煤体水力致裂破裂面的粗糙度明显比一般岩石材料要大。 邓广哲[30]根据注水试验得到煤体中开放型裂隙渗流特征同裂隙开度、 应力水平和注水压 力之间的影响。G.J.Bell、M.Khodaverdian[31]等学者研究了在不同地应力以及天然裂缝条 件下的水力裂缝扩展行为和规律。Anderson 和 Werpins