坚硬煤层水力致裂机理及应用研究.pdf

论文题目坚硬煤层水力致裂机理及应用研究 专业岩土工程 硕 士 生李鑫（签名） 指导老师谷拴成（签名） 摘要 “高产高效，绿色安全”是煤炭企业的追求目标。西部大煤田的开发以及采煤深度 的递增， 所发现的坚硬煤层也越来越多， 而开采坚硬煤层存在截齿消耗大、 割煤效率低、 块煤含量低、 煤尘浓度大等问题， 严重制约着煤炭企业的高产高效与生产安全。 基于此， 本文利用水力致裂技术预先对坚硬煤层块裂改造，通过发挥支承压力的碎裂作用实现坚 硬煤层的弱化。 （1）对煤岩体水力裂缝的开裂及扩展行为进行分析。基于弹性力学孔口围岩应力 解，得出完整孔壁的开裂压力及方向，利用复变函数保角变换，将圆形孔边对称裂纹映 射在数学平面的单位圆内部，以远场地应力及内部水压为边界条件，得出了裂纹尖端应 力强度因子表达式。采用断裂力学 K 判据，推导裂缝尖端扩展压力。结合流体力学 Navier-Stokes 方程导出水在裂缝内的压降方程，推导了孔底水压力与起裂长度之间的关 系表达式； （2）水力裂缝在坚硬煤层中的开裂及扩展行为，是水力裂缝改造坚硬煤层的前提 条件。采用定向切槽只是降低起裂压力、控制开裂方向的一项措施，旨在对坚硬煤层的 块裂改造。水在坚硬煤层钻孔及裂缝面边界上的渗透过程，只起到辅助软化作用。而经 过块裂改造和渗透软化的煤层，为发挥支承压力的碎裂作用创造了条件。基于抗压强度 的尺寸效应和宽高比，得出了发生碎裂作用的水力钻孔间距公式； （3）随着采面的推进，支承压力的遍历促使坚硬煤层碎裂。弱化后的坚硬煤层， 削弱了截齿与煤体的研磨作用，实现坚硬煤层快速回采的同时，对提高块煤率、降低截 齿消耗、降低煤尘浓度均起到一定的作用。以柠条塔煤矿南翼 2-2煤 S1201 综采工作面 为背景，设计了水力致裂施工方案。 关 键 词坚硬煤层；水力致裂；块裂作用；碎裂作用；尺寸效应； 研究类型应用研究 SubjectStudy on Mechanism and Application of Hydraulic Fracturing in Hard Coal Seam SpecialtyGeotechnical Engineering NameLi XinSignature Instructor Gu ShuanchengSignature ABSTRACT The concept that “high yield high efficiency, green security ” is the development idea of coal enterprises. With the development of the western large scale of coal field and the increasing of the depth of the coal mining, the hard coal face is also more and more. It is the issures must be faced during the exploitation of hard coal seam such as the pick consumption, coal cutting speed, low coal content and dust concentration, which seriously restricts the coal enterprises in high yield and high efficiency, green security. Based on this, the paper uses hydraulic fracturing technology in advance of the hard coal seam block crack, through the role of supporting pressure to weak the hard coal seam. 1 Based on orifice stress solution of the surrounding rock in elastic mechanics，the crack and propagation behavior of coal mass are analyzed, and the direction and the initiation pressure were obtained. Using the complex function and conal transation, circular hole symmetric crack was mapping in mathematical plane single circle inside. It is concluded that the crack tip stress intensity factor expressions that distal to the stress field and internal water pressure as boundary conditions, meanwhile the influence rules of each parameter were analyzed. With the crack intensity factor expressions, the different cutting groove depth initiation pressure were analyzed by using the K criterion of linear elastic fracture mechanics. Combined with the flow pressure drop equation that is derived on condition of the Navier Stokes equation. the relation expressions between the length and water pressure was derived; 2 The crack and expansion behavior of hydraulic fractures in hard coal seam is the prerequisite for the transation of the hard coal seam. Adopting the directional cutting groove is a measure to reduce the crack pressure and control the crack direction, and the purpose is to trans the hard coal seam. Water penetration in the hard coal seam hole and the boundary of the crack surface, only play a role in the auxiliary softening. And through the block crack and the permeability of the coal seam, to play the role for supporting pressure to weak the hard coal seam. Based on the size effect and the aspect ratio of the compressive strength, the ula of the distance ula of the hydraulic drill hole is obtained. 3With the advancing of the mining face, the traversing of the supporting pressure urges the hard coal seam to disintegrate. After the weakening of the hard coal seam, the grinding effects of cutting tooth and coal is diminishing. Which plays a certain role to speed hard coal seam, improve the lump coal rate, reduce pick consumption, and reduce the concentration of coal dust. A hydraulic fracturing construction scheme is designed under the background of 2-2 S1201 of Ningtiaota South Coal Mine fully mechanized coal face. Key wordshard coal seam; hydraulic; block crack; cataclasis; size effect； ThesisApplication Research 目录 I 目录 1 绪论................................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义...........................................................................................................1 1.1.1 选题背景..........................................................................................................................1 1.1.2 研究意义..........................................................................................................................2 1.2 国内外研究现状....................................................................................................................3 1.2.1 岩体水力致裂裂缝扩展规律研究现状.......................................................................3 1.2.2 水力致裂对岩体的宏细观结构及力学性质影响的研究现状.................................5 1.2.3 煤体水力致裂技术研究现状........................................................................................6 1.2.4 坚硬煤层弱化技术研究现状........................................................................................7 1.3 研究内容及方法....................................................................................................................9 1.4 技术路线................................................................................................................................ 9 2 煤岩体水力开裂及扩展行为分析...........................................................................................11 2.1 孔壁的开裂压力计算......................................................................................................... 11 2.1.1 圆孔孔壁的弹性力学分析..........................................................................................11 2.1.2 水压力作用下孔壁的弹性力学分析.........................................................................13 2.2 水力裂缝的扩展分析.........................................................................................................14 2.2.1 扩展裂缝的变形特征.................................................................................................. 14 2.2.2 弹性力学的复变函数解答..........................................................................................16 2.2.3 裂缝尖端应力强度因子计算......................................................................................18 2.2.4 水力裂缝的扩展压力计算..........................................................................................23 2.2.5 定向切槽裂缝的扩展分析..........................................................................................24 2.3 水力裂缝的扩展长度分析.................................................................................................25 2.3.1 裂缝内的水力压降方程..............................................................................................26 2.3.2 孔底注水压力与孔壁起裂长度关系.........................................................................27 2.3.3 实例分析........................................................................................................................28 2.4 本章小结..............................................................................................................................29 3 水力致裂坚硬煤体的弱化控制技术.......................................................................................30 3.1 水力裂缝的块裂作用分析.................................................................................................30 3.1.1 坚硬煤层的块裂改造.................................................................................................. 30 3.1.2 水的辅助软化作用.......................................................................................................31 3.2 支承压力的碎裂作用分析.................................................................................................32 西安科技大学硕士学位论文 II 3.2.1 坚硬煤层受力分析.......................................................................................................32 3.2.2 支承压力的碎裂作用.................................................................................................. 33 3.2.3 参数分析........................................................................................................................36 3.3 煤体的塑性区数值模拟分析.............................................................................................38 3.3.1 数值模型的建立...........................................................................................................38 3.3.2 数值模拟结果分析.......................................................................................................40 3.3.3 煤层塑性区分析...........................................................................................................42 3.4 水力致裂过程分析..............................................................................................................44 3.5 本章小结..............................................................................................................................45 4 水力致裂技术的工程应用........................................................................................................46 4.1 工程背景..............................................................................................................................46 4.1.1 开采技术条件...............................................................................................................46 4.1.2 煤层物理力学性质.......................................................................................................46 4.2 水力致裂施工方案设计.....................................................................................................47 4.2.1 水力致裂的主要设备.................................................................................................. 47 4.2.2 钻孔的立面布置...........................................................................................................48 4.2.3 钻孔的平面布置...........................................................................................................49 4.2.4 水力致裂的裂缝控制.................................................................................................. 49 4.2.5 分段水力致裂施工工艺..............................................................................................51 4.3 本章小结..............................................................................................................................53 5 结论与展望.................................................................................................................................54 5.1 结论.......................................................................................................................................54 5.2 展望.......................................................................................................................................54 致 谢................................................................................................................................................56 参考文献......................................................................................................................................... 57 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 我国的发电能源、工业燃料、民用商品能源以及化工原料主要由煤炭提供。预计到 2020 年，煤炭在一次能源消费中的比例仍将高达 55以上[1]。随着西部大煤田的开发以 及采煤深度的逐年递增，所面临的坚硬煤层也越来越多。开采过程中，煤质坚硬导致截 齿的研磨作用明显，存在截齿消耗大、割煤效率低、块煤率低、煤尘浓度大等问题。严 重制约着煤炭企业高产高效、绿色安全生产，制约着煤矿企业极为重视的煤炭产量和块 煤含量。工作面较高的煤尘浓度不仅严重损害身心健康，而且存在煤尘爆炸的安全隐患 [2]。很难将赋存的煤炭资源发挥出真正的价值，实现煤炭企业的经济效益。因此，如何 高效，安全，绿色的采出地下坚硬煤层，是当下煤炭企业亟需解决的问题。随着水力致 裂技术的深入研究以及应用领域的不断扩大， 应用水力致裂技术解决许多煤矿中遇到的工程难题，在国内外已有诸多研究。例如 成功运用水力致裂技术实现坚硬顶板的冒落[3]；利用水力致裂弱化坚硬顶煤（板） ；运用 该技术改善坚硬厚顶煤冒放性，提高综放开采厚煤层特别是高瓦斯煤层的效率。还有一 些工程难题试图利用水力致裂技术进行解决，如应用水力致裂技术防治冲击矿压[4]，国 外已有部分成果，而国内的研究及应用相对较少。由此可见，水力致裂技术在处理坚硬 顶板、改善煤层透气性、提高放煤效率、防治煤与瓦斯突出、防治冲击矿压等方面，表 现出巨大的应用前景。对提高煤矿的经济效益、社会效益、环境效应具有显著的推动作 用。而在水力致裂坚硬煤层这一研究方向，国内多停留在注水湿润软化的层次上，未能 将水力致裂坚硬煤层的内在机理以及控制技术解释清楚。 在开采坚硬煤层过程中，存在的主要问题有1）坚硬煤层切割难的问题，由于煤 质坚硬，导致截齿切割难度增大，推进速率低下；2）坚硬煤层开采过程，煤尘含量较 大，不仅使工作面环境恶化，给工人的身心健康造成极大影响，而且煤尘含量过高，有 粉尘爆炸的安全隐患。而采取高效降尘措施，又造成生产成本加大；3）采煤机对硬煤 的开采，截齿的研磨作用明显，使得煤体的末煤含量高，块煤率较低，而原煤的块煤率 是影响价格的重要因素。 综上所述，为了提高坚硬煤层的开采效率，改善坚硬煤层的开采条件，迫切需要寻 找一种安全高效的技术措施，来改善坚硬煤层难开采、回采速度慢、块煤率低、粉尘浓 度高等工程实际状况。 西安科技大学硕士学位论文 2 1.1.2 研究意义 水力致裂应用于坚硬煤层的开采，其原理是利用钻孔内注水导致孔壁围岩的应力状 态发生改变。当孔壁达到开裂条件时，孔壁开裂，随着压力水的注入，裂缝继续扩展， 从而弱化了煤层的整体力学性质。裂缝的产生和扩展改变了煤层原有结构的完整性，增 加了煤层的渗透性能，块裂作用与水的辅助软化作用为支承压力发挥碎裂作用创造条 件，实现坚硬煤层的弱化。使原本较为坚硬的煤层更容易开采出来。水力致裂坚硬煤层 的技术关键在于控制钻孔水压裂缝扩展长度，以及峰值支承压力作用下能使煤体内部发 生破坏的合理的钻孔间距。因此，掌握水压致裂作用下煤层的宏、细观结构改变，孔壁 开裂及裂缝长度控制，水在煤层内的流动渗透，峰值支承压力的碎裂作用等基本规律， 对坚硬煤层水力致裂技术的应用及推广有重要意义。坚硬煤层的水力致裂技术是水力压 裂的又一个应用推广领域，对完善定向水力压裂，煤体的宏、细观结构改变，裂缝长度 控制措施等基础研究领域有较大推动作用。通过研究裂缝扩展行为和弱化控制技术，证 明水力致裂技术所具有的明显优势以及广阔的应用前景。 在坚硬煤层进行超前水力致裂弱化的过程中，顶板的运动、变形等基本规律并没有 发生实质改变，水力致裂技术作用只是在坚硬煤层中预先形成多条裂隙，使其宏观结构 发生改变的一个外加的预处理过程，是促使坚硬煤层方便采煤机推采破碎的诱导因素， 其主要作用是通过形成水压裂缝，降低坚硬煤层的整体强度，改善煤层的整体结构和力 学性质，为充分发挥支承压力的作用以及采煤机的推采作用创造必要的条件。因此，对 坚硬煤层进行预先弱化必须系统研究坚硬煤层水力致裂裂缝的扩展规律，长度控制措施 以及水力致裂钻孔的合理间距。 利用水力致裂技术弱化坚硬煤层与以往的煤层注水减尘既有紧密联系，又有显著的 区别，均为一项煤矿“绿色开采”技术。除了可以弱化煤体强度，还有其他作用如降尘、 降温等。对坚硬煤层水力致裂技术的作用如下 （1）弱化坚硬煤层 水力致裂对坚硬煤层的弱化主要体现在两方面1）煤层内钻孔，并通过产生水压 裂缝改造煤体的整体结构，也称其为水力裂缝的块裂作用，而水的渗透润湿辅助软化煤 体，进一步降低煤体的力学性能，为支承压力的发挥创造条件；2）支承压力是坚硬煤 层发生破碎的主要动力，即支承压力的碎裂作用。在块裂作用的基础上，支承压力使煤 层碎裂，坚硬煤层得以弱化，便于开采。 （2）减尘 利用煤层注水的方法减少工作面煤尘含量已是一项较成熟的技术。而水力裂缝改造 煤体整体结构的同时，水在注水压力及毛细力的作用下在煤体内部充分渗透润湿，不仅 提高了煤体的含水率，增强了煤体的渗透润湿效果，且比传统意义上煤层注水减尘的湿 1 绪论 3 润效果更好，能有效降低工作面生产过程中的煤尘含量。以煤层注水为例，铜川矿务局 玉华煤矿 1407 综放工作面，煤层注水之前，测得工作面生产时煤尘含量高达 550650mg/m3，平均为 600mg/m3；煤层注水之后，测得工作面生产时煤尘含量为 320400mg/m3，平均为 360mg/m3，降尘率为 40％[4]。 （3）预先释放部分瓦斯 对于高瓦斯矿井，水力致裂坚硬煤层的应用体现在1）钻孔使煤体内部的部分原 生裂隙与外界相通，从而使裂隙内的瓦斯通过钻孔预先排放；2）随着水力致裂裂缝的 破裂与扩展，使得新产生裂隙附近的游离态的瓦斯预先排放；3）随着煤体内瓦斯原始 赋存压力和浓度的变化， 使得部分吸附瓦斯也转变为游离态瓦斯， 并通过裂隙通道排出。 水力致裂技术可以预先排放瓦斯，在工作面推采过程中，工作面的瓦斯涌出量将大大减 少，有利于工作面的正常安全生产。例如铜川矿务局玉华煤矿 1407 工作面，统计资料 显示，工作面绝对瓦斯涌出量的平均值为 3.655m3/min。采用水力致裂技术改造煤层之 后，统计工作面绝对瓦斯涌出量的平均值降为 2.86m3/min，瓦斯浓度降低了 24.6[5]。 综上所述，利用水力致裂技术开采坚硬煤层具有安全、经济、环保和高效的特点， 对煤矿的安全高效生产具有重要的技术价值和社会经济效益。随着理论研究的深入、技 术装备及监测手段的改进，利用水力致裂弱化技术，可以较好的解决开采坚硬煤层中所 遇到的实际生产难题。对坚硬煤层水力致裂机理研究是对岩石力学固液耦合理论的深 化，是弹性力学、岩体力学、断裂力学、流体力学的高度结合。同时对石油的二次开采、 页岩气的开发与利用， 岩体地热能的开发等大量岩体工程中应用水力致裂技术具有参考 价值。有必要对坚硬煤层水力致裂机理及应用深入研究。 1.2 国内外研究现状 1947 年，水力致裂技术在美国首次试验成功[6]。该技术最早用来提高石油工程中贫 油井的产量，经过几十年的快速发展，逐步在现代石油工业、地热资源开发、核废料储 存等领域成功应用[7]，表现出广阔的工业应用前景。基于水力致裂基本原理，对坚硬煤 层采用水力致裂技术来解决坚硬煤层开采难的问题开展机理及应用方面的相关研究。虽 然水力致裂方面的研究成果比较多，但针对坚硬煤层水力致裂的机理及应用研究尚处于 初始阶段[8]，一些基本的理论、工艺与技术装备等问题尚待研究。 1.2.1 岩体水力致裂裂缝扩展规律研究现状 水压力参数是水力致裂技术应用的关键参数之一，HubbretM.K 对水压致裂使孔壁 破裂的最小压力较早就进行了研究[9]。 Detournay E 对裂缝必然在失稳压力开始扩展的假 设进行了纠正，划分了不同的临界压力[10]①破裂压力；②失稳压力，也称为崩溃压力。 破裂压力指的是水压力达到该压力时，裂纹发生扩展；而失稳压力指的是水压力达到该 西安科技大学硕士学位论文 4 值时，裂缝将持续扩展。破裂开始扩展不一定立刻导致失稳，破裂后压力能不能稳定增 加意味着裂缝扩展能不能持续进行。因此破裂压力可能比失稳压力更小[11]。水力致裂水 压力参数伴随着裂缝扩展呈现阶段性特征，而裂缝扩展本身也呈现阶段性的特征[12]。目 前关于水压裂缝的破裂与扩展行为规律研究较少[13]。 目前，通过理论计算来确定孔壁的开裂压力已经成熟，但裂缝缝尖的扩展水压力解 析解仍然比较困难。 更有甚者， 实际的工程中水压裂缝的缝尖至孔口注液点的距离较远， 水压力不仅在设备内存在管路损失，而且水压沿钻孔也会发生变化。同时裂缝内水压力 也存在沿程衰减[14]。Andrei Sergiu Popa 用局部径向流场对原一维流场假设进行修正， 建 立了新的二维模型，得到了缝内的流线分布及缝内的水压分布[15]。国内学者李同林考虑 了压裂液在缝高方向上的压力降，建立了缝高预测模型，使缝高更接近于真实值[16]。水 压致裂裂缝内流动阻力的计算，与煤岩结构构造特征、煤岩物理化学性质及裂缝形态特 征等存在密切的联系[17]。因此，裂缝尖端水压力参数和裂缝内水力压降变化规律是控制 水压力参数的关键，其计算的准确性是水力致裂施工水压参数正确性的重要保障。 目前，关于岩石水力致裂的基本假设有岩石为线弹性、均质、各向同性及非渗透 性的材料。非渗透性表现为水压力在裂纹面附近极小的范围内就降到零，水力梯度趋近 于无穷大[18]。实际上岩体因具有孔隙结构而存在不同程度的滤失[19]，而流体的运动黏度 对裂缝内水压力的漏失也有很大影响[20]， 裂缝水压力不能按照使裂缝发生张开的力来考 虑。因此，必须深入的研究裂缝内水压力作用，及岩体赋存应力状态下的裂缝扩展压力 参数。 虽然 Ruiting Wu 提出裂隙扩展时可以采用水力梯度的方法来研究水压力对周围岩 石的作用[21]，但他并深入研究，也未见相应的研究结论。考虑裂纹尖端塑性区对水压裂 缝扩展压力的影响[22]。讨论地应力、断