煤层水压致裂机理数值模拟研究.pdf

论文题目煤层水压致裂机理数值模拟研究 专业采矿工程 硕 士 生白文勇（签名） 指导教师邓广哲（签名） 摘 要 随着我国能源结构的调整以及煤炭价格持续走低等诸多因素的影响， 致使我国煤炭 企业经济效益急剧下滑。调整煤炭产品结构，提高块煤产出率也是提高企业经济效益、 摆脱经济困境的有效途径之一，也是目前煤炭企业清洁生产的最佳选择。 本文以黄陇侏罗纪煤田红石岩煤矿为背景， 应用现场实测、 实验室实验、 理论分析、 数值模拟等方法，系统研究了 2 号煤层水压致裂过程中的起裂与扩展规律。通过实验室 实验对红石岩煤矿 2 号煤煤样进行了水理性分析， 测定了不同含水率下煤岩体的物理力 学参数， 拟合出 2 号煤物理力学参数与含水率之间的水理性表达关系式。 运用理论分析、 现场观测等方法，研究分析了煤层水压致裂的主要影响因素，并结合 2 号煤层煤质、裂 隙的发育等情况，分析了主要因素对 2 号煤层的水压致裂的影响规律。通过力学分析， 确定了煤层水压致裂过程中起裂的临界压力。运用数值模拟研究了原生裂隙、切槽对煤 层水压致裂起裂扩展过程中起裂压力、扩展压力及起裂方向、扩展方向的影响。研究得 到一是在水压致裂起裂过程中，存在原生裂隙或切槽裂缝的煤层钻孔，将随原生裂隙 或切槽裂缝与最小主应力的夹角增大而其起裂压力减小， 但切槽对煤层钻孔起裂压力的 降低更为有效，并对起裂方向具有一定引导作用；二是在扩展过程中，存在原生裂隙或 切槽的扩展压力随其与最小主应力的夹角增大而减小，但切槽钻孔的压裂半径大，压裂 效果更好，且裂缝扩展的方向趋于煤层钻孔中的切槽方向。三是通过原生裂隙或切槽裂 缝的煤层钻孔的横向比较，存在切槽的煤层钻孔在水压致裂过程中，起裂压力、扩展压 力都相对降低，并且对起裂扩展都有定向引导作用。 结合红石岩煤矿 2 号煤层现场情况，确定了煤层水压致裂的工艺参数。通过对煤层 水压致裂现场效果分析可知， 煤层水压致裂在红石岩煤矿块煤增产中的应用取得了良好 的效果，工作面块煤产出率大幅度提高。 关 键 词水压致裂；裂缝起裂；裂缝扩展；数值模拟 研究类型应用研究 SubjectReserch onMechanismofHydraulicFracturingof the Numerical Simulation in coal bed Specialty Mining Engineering NameBai Wenyong（（Signature）） InstructorDeng Guangzhe（（Signature）） ABSTRACT As Chinas energy structure adjustment, and coal prices continue to slump, and many other factors, causing a sharp fall in the number of Chinas coal enterprise economic benefits. Adjust the coal product structure, improving lump coal output is to improve the enterprise economic benefit, one of the effective ways to get rid of economic difficulties, and the best choice of the cleaner production in coal enterprise at present. In thispaper, HuanglongJurassiccoalfieldof Hongshiyan coal mineas the background,Fieldmeasurement, laboratory experiment, theoretical analysis, numerical simulation and other s are used.Study on the No. 2 coal seam hydraulic fracturing process in the initiation and propagation of law.Through the laboratory experiment of Hongshiyan coal mine no. 2 coal coal sample water has carried on the rational analysis, determination of the physical and mechanical parameters of the coal and rock under different moisture content, the fitting of the no. 2 coal physical mechanics parameters and moisture content between rational expression ula of water.Using the s of theoretical analysis and field observation, research and analysis of the coal seam pressure caused by main influence factors of crack, and combined with the coal quality of coal seam No. 2, fracture development, analysis the main factors of No. 2 coal seam pressure induced crack of rules.Based on the mechanics analysis, the critical pressure in the process of hydraulic fracturing in coal seam is determined. The effects of the primary fracture and the cutting groove on the initiation pressure, the expansion pressure, the initiation direction and the extension direction of the hydraulic fracturing in the coal seam are studied by numerical simulation. The Study one is in the hydraulic fracturing initiation process, the existence of preexisting fissures or cutting groove crack of coal seam drilling, with preexisting fissures or cutting groove crack and minimum principal stress and the initiation pressure decreases, but cutting groove hole of coal seam fracturing pressure reduction is more effective, and the crack initiation direction has a certain guiding role; the second is in the expansion process, the presence of native or fissures and grooves are cut with minimum principal stress angle increases and decreases, but cutting groove drilling fracturing, the fracturing effect is better, and the crack propagation direction tends to coal seam drilling cutting groove direction. Third, by preexisting fissures or cutting groove crack of coal seam drilling of horizontal comparison and cut groove seam boreholes in the hydraulic fracturing process, initiation pressure and expansion pressure are relatively lower, and the crack propagation direction guiding role. According to the practical situation ofHongshiyan coal mine No. 2 coal seam, the technological parameters of hydraulic fracturing in coal seam are determined. Based on field effect analysis, The application ofhydraulic fracturing in coal seam in Hongshiyan coal mine lump coal production achieved good results, working face lump coal output rate greatly improved. Key wordsHydraulic fracturing；Fracture Initiation；Crack Propagation；Numerical Simulation ThesisAppling Research 目录 目 录 1 绪论................................................................................................................................................1 1.1 选题的背景及意义.............................................................................................................1 1.2 国内外研究现状.................................................................................................................2 1.2.1 水压致裂裂缝起裂和扩展行为规律研究现状....................................................2 1.2.2 水压致裂数值模拟研究现状................................................................................. 4 1.2.3 水压致裂应用现状..................................................................................................5 1.3 研究的目的、内容、方法及技术路线...........................................................................6 1.3.1 研究目的...................................................................................................................6 1.3.2 研究内容...................................................................................................................7 1.3.3 研究方法...................................................................................................................7 1.3.4 技术路线...................................................................................................................7 2 水压致裂因素分析........................................................................................................................9 2.1 红石岩综采工作面裂隙分布............................................................................................9 2.2 煤岩体水理性...................................................................................................................10 2.2.1 煤岩体含水率、吸水性的测定...........................................................................10 2.2.2 煤岩体物理参数与含水率的关系.......................................................................12 2.3 煤岩体硬度及渗透性对水压致裂的影响.....................................................................19 2.4 煤层应力状态影响分析.................................................................................................. 20 2.5 本章小结............................................................................................................................21 3 水压致裂起裂分析.....................................................................................................................22 3.1 煤层裂隙特性...................................................................................................................22 3.2 煤层水压致裂起裂应力分析..........................................................................................24 3.2.1 煤层水压致裂破裂准则........................................................................................24 3.2.2 煤层钻孔围岩应力状态分析...............................................................................26 3.2.3 煤层钻孔内水压致裂起裂分析...........................................................................26 3.3 原生裂隙对煤层水压致裂的影响..................................................................................28 3.3.1 原生裂隙模型建立...............................................................................................29 3.3.2 原生裂隙模型裂隙起裂过程.............................................................................. 30 3.3.3 原生裂隙起裂结果分析.......................................................................................31 3.4 切槽对煤层水压致裂的影响..........................................................................................33 3.4.1 切槽模型建立........................................................................................................33 3.4.2 切槽模型裂隙起裂过程.......................................................................................34 目录 3.4.3 切槽起裂结果分析...............................................................................................36 3.5 本章小结............................................................................................................................36 4 煤岩体水压致裂扩展规律.........................................................................................................37 4.1 煤层水压致裂裂缝扩展特点..........................................................................................37 4.2 煤层水压致裂裂缝形态判断..........................................................................................37 4.3 原生裂隙水压致裂裂缝扩展的影响.............................................................................39 4.3.1 原生裂隙模型裂隙扩展过程.............................................................................. 39 4.3.2 原生裂隙扩展结果分析.......................................................................................41 4.4 切槽钻孔水压致裂裂缝扩展的影响.............................................................................41 4.4.1 切槽模型裂隙扩展过程.......................................................................................41 4.4.2 切槽模型扩展结果分析.......................................................................................44 4.5 本章小结............................................................................................................................45 5 红石岩煤矿块煤率增产中的应用...........................................................................................46 5.1 试验区域概况...................................................................................................................46 5.2 煤层预裂方式及参数确定..............................................................................................48 5.3 实施效果分析...................................................................................................................49 5.4 本章小结............................................................................................................................53 6 结论与展望.................................................................................................................................54 6.1 主要结论...........................................................................................................................54 6.2 研究展望...........................................................................................................................54 致谢..............................................................................................................................................55 参考文献......................................................................................................................................... 56 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景及意义 陕西省红石岩煤矿位于国家级煤炭开发基地之一的黄陇煤田， 红石岩煤矿是开采主 力矿井之一。该矿采用一次采全高长壁综合机械化采煤方法开采侏罗纪 2 号煤层。由于 2 号煤层硬度大，普斯系数大于 3.5；煤层内生裂隙不发育等问难题，造成红石岩煤矿 2 号煤层截割困难，开采比能耗大，综采材料消耗大，尤其工作面块煤率低的生产困局， 企业目前面临前所未有的生存压力，加快煤矿开采煤炭产品结构的调整已迫在眉睫。 我国煤炭市场的调整，以及全球经济下行等因素的影响，中国煤炭价格全面下滑的 情况下，市场对清洁块煤的需求量大，造成块煤价格是粉煤价格的 2 倍左右，差价高达 60150 元/吨左右。当前，我国煤炭企业为了增加企业效益，摆脱困境，提高企业产品 价值，增加块煤率是创效增收最直接、有效的途径之一。 根据对国内外提高块煤率研究结果的分析可知，影响块煤产出率的因素很多，提高 块煤率的方法也多种多样。但现阶段研究成果主要是对采煤设备的优化、运输设备升级 改造、仓储落煤优化等，基本上是对生产环节和运输环节的单环节改进和优化，缺乏对 块煤制造系统有实效的研究成果。 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，综采工作面块煤开采技术是在现有的开采系统和开采工艺条件下，通过煤层超 前预裂改造、采煤工艺优化、采煤设备改进、煤壁压力支护利用等提高工作面块煤生产 比重的新型采煤方法；其中，关键是硬煤煤层的预裂裂隙网络的改造技术。进一步提出 将高压脉冲水射流与水压致裂预裂方法相结合的煤层预裂开采方法， 给煤层预裂块煤生 产开辟了安全清洁和高效的技术新途径。 煤层预裂改造指的是预先超前工作面通过一定的手段增加煤层中的裂隙分布密度。 当工作面推进到预裂区域时，由于煤层裂隙在人为干预情况下分布密度增加，因此在采 煤机割煤推进过程中，煤层在自重、矿山压力及采煤机扰动共同作用下垮落，避免了坚 硬煤层对截齿的破坏，提高了截割效率，同时也提高了工作面的块煤产出率。因此，如 何在煤体中能够多的制造裂隙，成为选择煤层超前预裂改造的重要因素。目前，国内外 煤岩破碎主要有三种方法 [1]，即炸药爆破法、气体爆破法以及水力预裂法。现有的炸药 爆破方法以及液态 CO2爆破方法存在的问题就是瞬间能量大， 不利有效控制， 且煤矿预 裂孔短效果有限，而水压致裂技术由于自身安全、稳定、洁净、不会产生有害气体等诸 多优势，受到煤矿企业的广泛接受和应用。将水压致裂技术应用于煤层大规模破碎结构 改造，是水压致裂技术一种新的应用，也是煤层预裂改造的一种新的方法。水压致裂煤 层预裂改造技术[2]可增加煤层裂隙数量，弱化煤岩体整体物理性质，提高采煤机截割效 西安科技大学硕士学位论文 2 率，改善工作面采煤环境而且能促进块煤产出，提高经济效益，在我国煤炭行业疲软大 环境下，有着很重要的意义，并且为水压致裂技术在煤矿复杂的环境下提高综采块煤产 出率上开拓了新思路，具有广阔的前景。 本文依托陕西省红石岩煤矿背景，利用数值模拟、理论分析、现场监测等手段研究 分析综采工作面采用水压致裂技术进行 2 号煤层致裂机理，提出了致裂裂隙起裂机理、 扩展机制的变化规律。 提出了红石岩煤矿 2 号煤层块煤开采煤层超前水压致裂的工艺参 数。结合红石岩煤矿 12407 综采工作面工业试验，验证了本研究的有效性。 1.2 国内外研究现状 水压致裂理论及技术缘于石油和天然气开采的迅速发展而兴起。 随着水压致裂理论 及技术的成熟，逐渐被广泛应用于其它工程领域，显示出其广泛的工业应用价值。煤体 水压致裂技术就是借助于水压致裂的基本理论发展起来的。 煤岩体水压致裂技术是利用 钻孔水压力的作用，改变孔边煤岩体的应力状态，导致孔边起裂和裂缝扩展，进而利用 裂隙水压力，控制水压裂缝的扩展，弱化煤岩体的整体力学特性；同时改变了煤岩体的 渗透性能，使煤岩体充分吸水湿润，进一步软化煤岩体。其关键在于控制钻孔水压裂缝 的起裂和扩展，掌握在水压力作用下煤岩体宏、细观结构改变的空间分布形态及其与煤 岩体渗透性变化的关系。 国内外对水压致裂技术的探究主要集中在以下几个方面 1.2.1 水压致裂裂缝起裂和扩展行为规律研究现状 水压致裂裂缝起裂和扩展是水压致裂技术的关键核心。 研究水压致裂的裂缝起裂以 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， 不同的地应力状态水压致裂的破裂模式和破裂压力均不相同 [3]。M.K.Hubbert 和 D.G.Willis[4]经过现场试验研究， 对岩石钻孔水压致裂压力问题作了详尽描述。 他们认为 无论液体是否渗入岩体，开裂面总是垂直于最小主应力方向。李传亮[5]根据多孔介质的 双重有效应力概念，提出了可计算任何渗透状况的岩石破裂压力计算公式，该公式包括 了早期提出的 2 个计算公式[6]。任岚[7]以多孔介质流体渗流与岩体应力-应变耦合理论为 基础，提出了一种全新的水压致裂岩石破裂压力的计算方法。Detournay E[8]将水压致裂 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[9][10]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[11] 通过研究了两条任意取向的共面裂缝间相互作用，它们利用 Kolosov 和 Muskte-Lishvili 的复杂位势函数给出了下部裂缝和上部裂缝的应力分布， 应用裂缝尖端周围的应变能量 密度分布来确定裂缝延伸方向。总结出当两条裂缝间距较大时，缝间无相互作用，当缝 间距较小时，两条裂缝间出现相互干扰，而且裂缝可能转向。邓广哲教授[12][13]对水压 1 绪论 3 致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 力控制下的水压致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。 对于水压裂缝形态的研究[14]， 最常用的是 PKN， GDK 为代表的二维裂缝扩展模型， 以 Van Eekelen、Advani、Cleary 与 Settari、Palmer 为代表的拟三维裂缝延伸模型，以 Clifton、Abou-sayed、Cleary 为代表的全三维裂缝延伸模型。邓广哲、张憧[15]采用低温 氮吸附试验测定 6 种煤样的孔隙参数及等温吸附曲线， 研究煤样孔隙表面分维数与孔隙 参数之间的关系。采用 FHH 模型计算各煤样的孔隙表面分形维数，运用分形理论研究 得出，表面分维数能够较好地表征孔隙结构的非均质性及复杂性，分形维数越大，孔隙 结构越复杂、 孔隙表面越不规则。 刘洪[16]运用分形理论、 岩石损伤力学、 细观岩石力学、 非线性动力学和岩石断裂力学等相关领域的最新研究成果，结合水压致裂现场实践，从 一个崭新的视角对水压致裂岩石破裂机理、 裂缝延伸规律和裂缝真实形态描述等方面进 行了分析和对比。单学军[17]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[18][19]。邓广哲、王世斌[20]等在分析和研究坚硬煤体水力致裂技 术关键问题的基础上，本文根据陈家山矿煤层具体条件，依据煤体水力致裂技术原理， 确定注水参数，选择煤层注水方案。该方法有效地软化了陈家山矿坚硬顶煤，煤块度明 显下降，顶煤回收率提高了 23。为坚硬厚煤层软化设计提供了依据。邓广哲教授[21] 利用水压致裂弱化技术解决了煤层顶板过硬冒落性差的问题， 并在此基础上充分对水压 致裂裂缝扩展行为规律、渗透压力对裂隙岩体宏细观结构的改造作用及其宏观力学响 应，水压裂缝扩展形态控制技术进行全面的研究。 水压致裂是一个十分复杂的物理过程， 由于水压致裂所产生的裂缝实际形态难于直 接观察， 人们往往只能借助于建立在种种假设和简化条件基础上的数学模型进行间接分 析。水压致裂模拟实验是认识裂缝扩展机制的重要手段之一，通过模拟试验，可以对裂 缝扩展的实际物理过程进行监测，并且对形成的裂缝进行直接观察，还能够将影响裂缝 扩展的各种因素进行参数研究， 这对于正确认识裂缝扩展机理并在此基础上建立更符合 实际的数学模型具有重要的意义。 陈勉等[22]针对 300mm300mm300mm 的大尺寸岩样进行了真三轴水压致裂模拟， 讨论了地应力、断裂初性、节理和天然裂缝等因素对水压裂缝扩展的影响。邓广哲、黄 炳香[23]等针对对坚硬煤体预裂中存在的问题， 采用地应力场控制下水压致裂的方法， 通 过来自铜川矿区的九块大型煤块试件，研究了水压裂缝扩展行为的控制参数。在此基础 上对水压裂缝的形成、扩展与煤体渗透性改变、水压作用的关系，进行了试验研究。克 服了常规小试件试验的局限性， 建立了起始渗透压力和最大破坏压力与煤样裂缝扩展变 西安科技大学硕士学位论文 4 化过程的对应关系，研究了水压裂缝破坏煤体结构的力学机制，为解决煤岩体介质材料 中水压裂缝扩展行为控制提供了科学依据。试验表明，本文结果中水压裂缝扩展控制参 数对改善顶煤预裂设计效果具有实际意义。 黄炳香[24][25]研制了 4000kN 真三轴岩体水压 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 500mm500mm500mm 的模拟实验，模拟研究了水压裂缝的扩展规律。研究了水压致 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；煤体水压致裂 破裂面的粗糙度明显比一般岩石材料要大。 邓广哲[26]根据水压致裂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[27]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 Werpinski[28]认为界面的剪应力对水压裂缝起着重要的作用，裂 缝