煤层脉动水力压裂卸压增透技术研究与应用.pdf

第3 6卷第 1 2期 2 0 1 1年 1 2月 煤 炭 学 报 J OU RNAL OF C HI NA CO AL S O CI E T Y V0 I ． 3 6 De c． No ．1 2 2 011 文章编号 0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 1 1 1 2 1 9 9 6 0 6 煤层脉动水 力压裂卸压增透技术研究与应用 翟 成 ， 李贤 忠 ， 李 全 贵 1 ． 煤炭 资源与安全开采国家重点实验室 ， 江苏 徐州2 2 1 1 1 6； 2 ．中国矿业大学 安全工程学 院， 江苏 徐州2 2 1 1 1 6 ； 3 ．煤 矿瓦斯治理 国家工程 研究中心 ， 江苏 徐州2 2 1 1 1 6 摘要 为 了提 高高瓦斯低透气性煤层瓦斯的抽采效率 ， 提 出了煤层脉动水力压裂卸压增透技 术， 进行了不同压力、 频率条件下型煤试样的脉动水力压裂实验， 分析了脉动水作用下煤体的疲劳损伤 破坏特点及高压脉动水楔致裂机理。研究结果表明 煤体原生裂隙在强烈的脉动水压力作用下， 会 在缝 隙末端产生交变应力， 使煤体裂隙孔 隙产生“ 压缩一膨胀一压缩” 的反复作用， 煤体将产生疲 劳损伤破坏， 煤体 内部裂隙弱面扩展、 延伸 ， 形成相互交织的贯通裂隙网络。工业性试验结果表 明 脉动水力压裂比普通水力压裂卸压增透效果明显， 钻孔瓦斯抽采浓度和流量均有较大幅度提 高。 关键词 脉动水力压裂； 卸压增透； 疲 劳损伤； 瓦斯抽采 中图分类号 T D 7 1 3 ． 3 2 文献标志码 A Re s e a r c h a n d a pp l i c a t i o n o f c o a l s e a m pu l s e h y dr a u l i c f r a c t ur i n g t e c h no l o g y Z H A I C h e n g ． L I X i a n z h o n g ． _ ． L I Q u a n ． g u i ， 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fC o a l R e s o u r c e s a n d S a f e Mi n i n g， X u z h o u 2 2 1 1 1 6， C h i n a ； 2 ． F a c u l t yofS a f e tyE n g i nee d n g， C h i n a U n i v e r s i t y ofMi n i n g T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6， C h i n a； 3 ． N a t i o n a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r f o r C o a l G a s C o n t r o l ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e t h e g a s d r a i n a g e e ffi c i e n c y o f hi g h g a s a n d l o w p e r me a b i l i t y c o a l s e a ms， t h e p u l s e h y d r a u l i c fra c t urin g t e c h n o l o g y wa s p r o po s e d， h y d r a u l i c fra c t u rin g e x p e r i me n t s a n d me c ha n i c a l a n a l y s i s we r e t a k e n u n d e r d i f f e r e n t p r e s s u r e s a n d fre q ue n c i e s， a n d f a t i g u e d a ma g e c h a r a c t e ris t i c s o f c o a l a n d t h e me c h a n i s m o f h i g h p r e s s u r e p ul s e h y d r a ul i c fra c t u rin g we r e a na l y z e d t o o ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t a l t e r n a t i n g s t r e s s i s f o r me d a t t he e nd o f c o a l f r a c t u r e u n d e r t h e a c t i o n o f t h e i n t e n s e p u l s e wa t e r ， a n d f a t i g u e d a ma g e f a i l u r e c a n b e f o rm e d i n t h e c o a l d u e t o r e p e a t e d a c t i o n o f c o mp r e s s i o n e x pa n s i o n c o mp r e s s i o n． Th e e x t e n s i o n o f fra c t u r e a n d we a k p l a n e i n t h e c o a l i s t r a n s f o r me d i nt o i n t e r l a c e d t r a n s fix i o n fra c t ur e n e t wo r k． Co mp a r e d wi t h g e n e r a l me t h o d s o f h y d r a ul i c fra c t u rin g， t h e r e s u l t s o f i n d u s t ria l e x p e rime n t s s h o w t h a t p u l s e h y d r a ul i c fra c t u ring g e n e r a t e s a b e t t e r e f f e c t o f p r e s s u r e r e l i e v i n g a n d p e rm e a b i l i t y i mp r o v i n g， me a n wh i l e， t h e c o n c e n t r a t i o n a n d f l o w o f d r i l l i n g g a s e x t r a c t i o n a r e r e ma r ka b l y i mp r o v e d． Ke y wo r d s p u l s e h y d r a u l i c fra c t u rin g； pr e s s u r e r e l i e f pe rm e a b i l i t y i mp r o v e me n t ； f a t i g u e da ma g e； g a s d r a i n a g e 我国煤矿地质条件复杂， 高瓦斯煤层 占 5 0 ％ ～ 7 0 ％ ， 而高瓦斯低透气性煤层又 占其 中的 7 0 ％左右。 采前区域瓦斯抽采是解决煤矿生产安全 、 实现煤和瓦 斯共采 、 减少环境污染的主要措施⋯。但是 ， 普通 的 瓦斯抽 采钻 孔有效 影 响范 围小 钻孔 间距 2 m 左 右 、 区域瓦斯抽采需要的钻孔数量多 每个 开采工 作面需要数百至上千个钻孔 、 钻孔施工工程量 大、 抽采瓦斯浓度低 、 抽采效果差和抽采 时间长 ， 不能适 应安全生产的需要 。若要做到抽采达标 ， 消除煤层瓦 斯灾害 ， 需要采取增 透的方法 ， 扩 大钻孔有效影 响范 围， 提高瓦斯抽采效果。 随着高瓦斯低透气性煤层卸压增透技术研究的 深入开展 ， 许多水力 化措施得到应用 ， 其特点都是用 水力作为煤体卸压增透的介质 ， 使煤层产生并发育裂 隙 ， 提高瓦斯抽采效果。煤矿井下煤层水力压裂增透 技术在国内一些矿井进行了工业性试验应用 ， 初步显 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 2 1 责任编辑 韩晋平 基金项目 国家重点基础研究发展计 划 9 7 3 资助项 目 2 0 1 1 C B 2 0 1 2 0 5 ； 国家 自然科 学基金青年科学 基金 资助项 目 5 0 8 0 4 0 4 8 ； 中匡 I 矿业 大 学青年科研基金资助项 目 2 0 0 7 A 0 0 3 作者简介 翟成 1 9 7 8 一 ， 男 ， 山东滕州人 ， 副教授 ， 博士 。T e l 0 5 1 6 8 3 8 8 4 4 0 1 ， E ma i l g r e a t z c 1 2 6 ． C O F fl 第 1 2期 翟成等 煤层脉动水力压裂卸压增透技术研究与应用 1 9 9 7 示出具有增大煤层透气性 、 降低地应力及卸压范围大 的特点 ， 对于防治煤与瓦斯 突出起到 了很好 的作用 ， 为低透气性 、 无保护层开采 的突 出煤层瓦斯 治理 ， 提 供了一条新 的途 径 J 。国外也有关 于石 油和煤层 气工业通过采用水力压裂技术 提高瓦斯抽采率的文 献报道 。普通水力压裂主要是利用高压力 、 大流 量的注水泵将压裂液压人到 目标煤层 ， 需要较高压力 通常 2 5 M P a以上 破裂煤体 ， 压裂可控性差 ， 容易 形成局部应力集中。 赵振保 采用变频 脉冲式煤层注水 技术 ， 实现 了脉冲高压水压裂 、 沟通煤层裂 隙， 在煤层 内部形成 新的相互关联孔隙一 裂隙网， 静压水均匀润湿煤层的 动 、 静压交替注水方式 ， 取得了 良好 的煤层注水防尘 效果 。张景松等 利用高压脉动水锤发生装置对潘 三矿 1 5 6 2 3 工作面 的难以抽采煤层进行脉动式注 水试验 ， 试验证明脉动式高压注水技术有效地提高 了 煤层透气性 ， 增大 了瓦斯 抽采量。聂百 胜等 利 用 向煤层 中注入脉动高压水 ， 改变注水压力使水渗入到 不同的裂 隙、 孔隙中， 最大限度地使煤体力学性质发 生改变 ， 并利用脉动高压水将游离高压瓦斯 排放 ， 减 少煤体中瓦斯含量， 提高了安全性， 减低或消除了煤 层突出和冲击危险性 。 当前， 煤层高压注水技术 已经较为成熟 ， 注水方 式多种多样 ， 而采用较高压力 同时具有脉冲效果 的煤 层高压注水卸压增透技术研究 还不深入 。本文研究 的主要 目的和意义就是如何有效地发挥高压注水和 脉动式注水的优势， 并将它们的优势结合起来 ， 从而 达到改善煤层透气性 、 提高瓦斯抽采率的效果 。 1 煤层脉动水力压裂卸压增透技术的提出 铁法煤业集团大兴矿曾经采用多种方 法提高煤 层透气性 ， 但都没有取得很好的效果 。在普通水力压 裂和脉动注水技术 的基础上 ， 笔者提出了煤层脉动水 力压裂卸压增透技术 ， 是将具有一定频率的脉动水持 续注入钻孔 中， 由峰值压力与谷底压力构成周期性 的 脉动波 ， 对煤体裂隙产生交变或重复荷载 ， 逐渐使煤 体出现疲劳损伤 ， 促使煤层 中的微小孔裂隙形成和逐 渐张开 ， 宏观裂 隙扩展 联通 ， 最终形 成新 的裂 隙网。 工业性试验表明脉动水力压裂技术具有起裂压力低、 致裂效果好 、 卸压充分 的特点 ， 为高瓦斯低透气性煤 层瓦斯治理提供 了一条新 的途径。 1 ． 1 脉 动水 力压 裂试 验 1 ． 1 ． 1 实验设备 脉动定向水力压裂实验设备包括脉动注水系统 、 管路系统 、 监控系统 3个主要部分 。脉动注水系统采 用脉动注水泵 ， 其 脉动强度为 0～2 5 MP a ， 脉动频率 为 5～ 2 5 H z ， 输出流量为 1 2 0 L ／ m i n 。监控系统主要 是保证脉动水力压裂过程 中压力 、 注水量 、 注水时间 等重要参数的控制 ， 包括压力表 、 流量计 、 溢流 阀等 ， 可以通过调速旋钮调节电机转速 ， 进而改变脉动水 的 输出频率 ， 并通过数字式仪表显示泵的工作转速以及 输出压力 ， 实现脉动水的控制输出。脉动水力压裂设 备系统如图 1所示 。 b监控系统平 台 图 1 脉动水力压裂设备系统 Fi g ．1 The p u l s e hy d r a u l i ca c t ufing e qu i pme n t s y s t e m 1 ． 1 ． 2 实验材料 实验材料为人工制作 的立方体 型煤 水泥 碳 酸钙 煤粉 3 5 3 5 1 试样 ， 试样 大小 为 1 mx 1 mx 1 m 图 2 ， 其抗压强度 o r 1 2 ． 4 MP a ， 弹性模 量E1 ． 5 G P a ， 为了进行对 比试验 ， 共做 了 5块同样 的试样 ， 提前预埋压裂注水管和观测管 ， 图 3为压裂 孔与观测孔布置图。 图 2 型煤试样 Fi g ． 2 Co a l s a mp l e 1 ． 1 ． 3 实验参数及步骤 实验采用脉动水压荷载控制方式， 加载波形为正 弦波， 脉动频率为 5～ 2 5 H z 。加载波形 的特征参数 如图 4所示。图中 为脉动周期荷载的上限应力； 煤 炭 学 报 2 0 1 1 年第3 6 卷 图 3压裂孔与观测孔的布置 F i g ． 3 T h e f r a c t u r i n g h o l e a n d t h e o b s e r v a t i o n h o l e l a y o u t o r 为 脉动 周 期荷 载 的下 限应 力 ， 应力 幅值 1 or 一 o r ； 为平均应力值 为频率。假设压 厶 裂钻孔周围存在一条与 方向平行的主裂隙 ， 主裂隙 壁面上有 一点 A， 裂隙几何模 型如图 5所示 。高 压脉动水注入钻孔后 ， 点受到随时问 t 作周期性循 环变化的应力 。 图4 周期脉动水压特征参数示意 Fi g ． 4 S ke t c h o f wa v e s ha p e o f pu l s e wa t e r pr e s s ur e 图 5 主裂隙几何模型 F i g ． 5 G e o me t r y mo d e l o f ma i n f r a c t u r e 从 图 4可 以 看 出， 点 的应 力 循 环 为 o r 一 ⋯ 一 一 o r i 一 or ， 影响试样疲劳破坏的因素很 多， 如脉动周期荷载的应力幅值 or 、 上限应力 or ， 脉动周期荷载的频率和加载波形等。在本实验中， 脉 动水力压裂的注水压力、 注水频率是影响压裂效果的 两个关键因素 ， 通过不同观测孔的出水压力来考察不 同注水压力、 注水频率影响因素下的压裂效果。 实验主要步骤 ① 准备工作进行完毕后 ， 通过控 制台输出一定压力、 一定频率的脉动水， 打开试样上 1 号观测孔 的阀 门， 密切关注 1号观测孔 的 出水情 况 ； 持续一段时间后， 1号观测孔 出水 ， 记录压力及频 率等数据 ； 然后关闭 1 号孔 ， 打开 2号孔 ， 重复上述步 骤直至 4号观测孑 L 被压裂 出水 ， 记录数据 。② 改变 注水压力或频率， 重复上述步骤进行压裂 ， 记录数据。 ③ 同时采用乳化液泵进行普通注水压裂 ， 类似 于静 压注水 ， 观测普通注水条件下各观测孔的出水压力。 1 ． 1 ． 4 实验结果及分析 图 6为不同注水频率下各观测孔 出水压力变化 曲线 ， 图7为普通注水压裂与脉动水力压裂 2 0 H z 各观测孔出水压力对 比曲线 。 图 6 不 同注水频率下各观测孔 出水压 力 Fi g ． 6 W a t e r p r e s s u r e s o f t h e o bs e rva t i o n h o l e s un d e r d i f f e r e n t i nf us i o n f r e qu e n ci e s 观测 孔 号 图7 普通注水与脉动水力压裂 2 0 n z 各观测孔出水压力的对比 F i g ． 7 Co mp a r i s o n o f wa t e r pr e s s u r e o f o r d i na r y hy dr a ul i c f r a c t uring a nd p ul s e h y dr a u l i c f r a c t u r i ng 由图 6可 以看 出， 注水频率为 5 H z 时 ， 1号孔离 压裂孔最近 ， 在 2 ． 5 MP a的时候 1 号孔首先与压裂孔 贯通出水 ， 2号孔在 2 ． 7 MP a的时候贯通出水 ， 3号孔 在 2 ． 8 MP a 时贯通出水 ， 4号孔在 3 ． 1 MP a时贯通 出 水 ， 观测孔离压 裂孔距离越 大， 贯通 出水压力越大。 注水频率 l 0 H z的时候 ， 1号孑 L 在 2 ． 3 MP a时首先与 压裂孔贯通出水 ， 2号孔与 3号孔在 2 ． 5 MP a的时候 同时贯通出水 ， 4号孔在 2 ． 9 MP a时贯通出水。在试 验设备脉动频率允许运行的 5～2 5 H z 范 围内， 随着 注水频 率 的提 高， 各观 测孔 贯 通 出水 压 力 越来 越 小 。 由图 7可以看出 ， 普通注水压裂与 2 0 H z 时的脉 动注水压裂相 比， 同样距离 的观测孔 ， 脉动水力压裂 各观测孔贯通出水压力明显低 于普通注水压裂各观 第 1 2期 翟成 等 煤层脉动水力压裂卸压增透技术研究 与应用 1 9 9 9 测孔贯通 出水压力 ， 1 、 2 、 3 、 4号观测孔压力分别降低 了 1 1 6 ％ 、 8 1 ％ 、 6 3 ％ 、 5 6 ． 5 ％ 。 1 ． 2 脉动水力压裂卸压增透技术原理 1 ． 2 ． 1 煤体的疲劳损伤 疲劳特性是材料的动力性能之一 ， 在重复、 循环 或交变荷载作用下 ， 任何材料都会 出现疲劳损伤 。 研究表明 煤岩在循环荷载作用下会发生疲劳损伤 ， 其强度和变形规律与静态荷载作用下有显著不同， 煤 岩是否发生疲劳破坏和应力门槛值有关 ， 单轴循环荷 载作用下煤样疲劳破坏“ 门槛值” 不超过单轴抗压强 度的 8 1 ％ ， 且在疲劳破坏“ 门槛值” 以下进行循环加 载 、 卸载时 ， 也会产生一定程度 的疲劳损伤 J 。 煤体中的原生裂隙发育丰富 ， 对煤岩进行水力压 裂时 ， 宏观上高压脉动水对煤层的结构破坏过程不同 于单轴 多轴 压缩 条件下煤 岩 的破坏 过程。单轴 多轴 压缩作用下煤的破坏是煤体在外力作用下 的 破坏 ， 而煤层注水压裂破坏是借助流体水在煤层各种 弱面内对弱面两壁面的支撑作用 ， 使弱面发生张开 、 扩展和延伸 ， 从而对煤层形成 内部分割 。微观上 而言 ， 对于单个 的裂 隙面， 脉动水 以强烈的交变应力 作用于裂隙面， 在裂隙面内产生周期性张压应力。一 方面 ， 高频压力波激发煤层孑 L 隙堵 塞物， 使堵塞物疲 劳破碎 ， 疏通煤体孔隙通道 ， 提高注水孔周边渗透率 ； 另一方面 ， 煤体在交变应力下产生疲 劳破坏 ， 比在恒 压载荷作用下产生破坏所需的最大应力值低 。 1 ． 2 ． 2 高压脉动水的“ 水楔” 作用 脉动水力压裂时 ， 脉动高压水作用于介质后首先 在介质上产生裂缝 ， 脉 动水渗流到裂缝 中， 使裂缝得 以扩展和延 伸 ， 这种作用可 以认为是“ 水楔 ” 的劈裂 作用 。裂纹初步形成 和汇合后 ， 在水射流 冲击压 力作用下 ， 水射流楔入裂 隙， 裂 隙将产生一定 的压力 场 ， 在裂隙尖端产生拉应力集 中区 ， 它使裂隙迅速发 展和扩大 ， 最后使煤岩体破裂。 煤体属 于 一种 准 脆 性 材 料 ， 裂 纹 失稳 扩散 准 则 为 ， ／ 1 f ／＼／ L 式 中， 为裂纹失稳扩散尖端应力临界值 ； 为裂纹 尖端失稳所需 的表面能， 即裂纹失稳扩散所需克服的 阻力 ； E为煤体的弹性模量 ； 0为裂纹尺寸 。 由断裂力学应力强度因子断裂判据可知 ， 在裂纹 尖端应力场强度因子可以表述为 K 2 式 中， K为应 力强度 因子 ； O t 为形 状系数 与裂纹 大 小 、 位置等有关 ； o - 为裂纹尖端应力。 由式 2 可以看 出， 应力强度 因子与荷载呈线性 关系 ， 并依赖于物体与裂纹的几何形状和尺寸。当脉 动高压水 的“ 水楔 ” 作用产生 的裂纹尖端应力 时， 裂纹就失稳扩展。 随着煤体内应力升高 ， 发生失稳扩展的临界裂纹 长度逐渐变小 ； 随着裂隙扩展 和贯通 ， 使煤体 中细宏 观裂隙增多 ， 即“ 水楔” 作用就是水体在较 大的注水 压力作用下沿孔周围多种张开型裂隙的流动 、 渗透和 亲润而使各种裂隙扩大 、 扩展和贯通的过程。由于脉 动水使煤层 内产生周期性的扩张应力 ， 针对煤体的这 一 力学性质 ， 利用水的“ 不可压缩” 性 ， 采用具有较高 压力的脉动水对煤层进行注水压裂 ， 加速了层理或切 割裂隙张开度的增大过程 ， 当在某位置的切向拉应力 大于与此相连的次级弱面的壁面之间的联结力和相 应切线方向的原始应力之和时， 将在该位置处发生次 级弱面起裂 ， 具有高压脉动特点的压力水不断冲击煤 体的次级裂隙， 使其发生上一级弱面所经历的扩展延 伸过程 。依此规律反复发展下去 ， 直至达到煤分层 中 的微小裂隙。压力水便达到对煤层的逐级分割作用 ， 达到煤层增透的 目的。 1 ． 2 ． 3 脉动水力压裂卸压增透过程分析 脉动水力压裂煤层可 以分成 4个 阶段 首先脉动 水进入煤体原生裂隙和孔隙中， 对煤体产生周期性 的 冲击 ， 使高压水渗透到煤体中的裂隙和孔隙中并使其 充满水 ； 其次 ， 当水充满煤体裂隙后 ， 一定频率 的脉动 压力开始作用煤体 ， 裂 隙表面受到交变荷载作用 ， 在 脉动水累积冲击下逐渐出现疲劳损伤 ； 再次 ， 随着脉 动水压力的逐渐增加 ， 当其超过煤体裂隙的起裂压力 时裂隙开始扩展， 衍生更多裂隙 ； 最后 ， 在持续 的脉动 作用下 ， 部分初始裂 隙相互连接 ， 新生裂隙进一步延 伸 ， 形成贯通裂隙 网， 煤体透气性 大幅度提高。整个 脉动水力压裂过程 中， 煤 体的疲劳损伤和 脉动水 的 “ 水楔” 作用是最终形成裂隙网的关键。 2 工业性试验及效果分析 2 ． 1 压裂工艺及参数 铁煤集团大兴矿 S v 7 1 9工作面为高瓦斯低透气 性煤层 ， 走 向长 7 7 3 m， 工作面宽 1 9 3 r n ， 煤层平均厚 4 ． 5 m， 煤层地质构造复杂 ， 火成岩侵入严重 ， 瓦斯涌 出量大 ， 工作面多次 出现瓦斯超限。由于煤层透气性 较低 ， 普通顺层钻孔抽采瓦斯流量小、 浓度低 ， 抽采效 率低 ， 无法解决瓦斯 问题 。 根据工作面巷道布置方式 ， 设计本煤层脉动水力 压裂钻孔和普通水力压裂钻孔 ， 两种压裂钻孔布置在 进风巷内。脉动注水系统采用脉动注水泵 ， 其脉动强 煤 炭 学 报 2 0 1 1 年第3 6 卷 度为 0～2 5 MP a ， 脉动频率为 5～ 2 5 H z ， 输出流量为 表 1 。 1 2 0 L ／ mi n ； 普通水力压裂采用 B R W2 0 0 ／ 3 1 ． 5乳化液 泵作为动力源。 钻孑 L 从开始注水到水力压裂措施结束大约需要 1 8 0 m i n 。起 始 压力 设 定 在 5 MP a ， 每 5 ra i n升 压 1 MP a ， 当泵压稳定一段 时间后 ， 压力迅速下降 ， 并且 持续加压时压力无明显上升， 或者压裂孔周围的观测 孔附近瓦斯浓度明显升高时， 说明压裂孔 已经完成压 裂 ， 此时即可停泵， 关闭卸压阀 ， 压裂程序结束 。选取 其中 2个脉动水力压裂钻孔和 2个普通水力压裂钻 孔作为对比， 钻孔布置如 图 8所示 ， 钻孔压裂参数见 图8 水力压裂钻孔布置 Fi g ．8 Di a g r a m o f h y d r a u l i c f r a c t u r i n g b o r e h o l es i n t h e c o a l s e a m 表 1 钻子 L 压裂主要参数 Tabl e 1 Pa r a m e t e r s of hy dr a ul i c f r a c t u r i ng 2 ． 2 试 验结 果分 析 钻孔压裂完成后进行放水 ， 之后联入抽采管路中 进行瓦斯抽采 ， 记录 4个钻孔抽采参数变化并进行对 比， 图9为压裂后监测钻孔抽采瓦斯流量和浓度随时 间变化 的关系曲线。 量 吕 ● 吕 皿 唧 婚 撂 罨 一 由表 1 、 图 9可以得出 1 与普通水力压裂相 比， 脉动水力压裂所需要 的压力较低 ， 2 5 H z时最大压力 1 6 M P a ， 1 5 Hz 时最大 压力 1 2 MP a ， 普通水力压裂最大压力达 到 2 6 M P a 。 由脉动泵产生的水力脉动波作用在钻孔周围裂隙 ， 根 据波的传播特性 ， 脉动波的频率越高， 能量衰减越快 ， 渗入煤体裂隙中的距离越短 ， 1 5 H z的脉动水压裂效 果优于 2 5 H z 的脉动水 。 2 在观察 记录 的时 间内， 与普通抽采孔 相 比， 脉动水力压裂孑 L 维持在高浓度、 高流量的时间长 ， 衰 减慢。 3 脉 动 水 力 压 裂 孔 抽 采 纯 流 量 最 高 达 0 ． 9 6 m ／ m i n ， 普 通水 力 压裂 孔 抽采 纯 流量 最 高达 0 ． 5 5 m ／ mi n ， 是 普通水 力压 裂孔 抽 采流量 的 1 ． 7 5 倍。 4 脉动水力压裂孑 L 抽采浓度在抽采初期 出现 衰减现象 ， 后期浓度出现回升 ， 一直保持较高浓度 ， 最 高达 8 5 ％ ， 最低 2 0 ％； 普通水力压裂孔抽采瓦斯浓度 最高为 3 9 ％ ， 最低为 6 ％。 3 结 论 1 脉动水力压裂 比普通水力压裂致裂效果好 ， 在实验设备脉动频率允许运行的 5～2 5 Hz 范围内， 随着注水频率的提高， 各观测孔贯通出水压力越来越 小 。 2 煤体裂隙在脉动水所 产生的交变应 力作用 下将产生疲劳和累积损伤破坏 ， 促使煤层中的微小孔 裂隙形成和逐渐张开 ， 宏观裂隙扩展联通。 3 脉动高压水流楔人裂隙 ， 裂隙将产生一定 的 第 1 2期 翟成等 煤层脉动水力压裂卸压增透技术研究与应用 2 0 0 1 压力场 ， 在裂隙尖端产生拉应力集 中区， 它使裂隙迅 速延伸和扩展。 4 与普通水力压裂相 比， 脉动水力压裂卸压增 透效果好 ， 钻孔 维持高浓度 、 高流量 的时问长 ， 衰减 慢 ， 抽采效果明显优于普通水力压裂 。 参考文献 [ 1 ] 林柏泉． 矿井 瓦斯防治理论与技术 第二版 [ M] ． 徐 州 中 国矿 业大学 出版社 ， 2 0 1 0 2 5 3 2 5 6 ． [ 2 ] 吕有厂． 水力压裂技术在高瓦斯低透气性矿井中的应用[ J ] ． 重 庆大 学学报 ， 2 0 1 0， 3 3 7 1 0 4 1 0 6 ． Lti Yo u c h a n g ．Ap p l i c a t i o n o f t h e h y d r a u l i c fr a c t u rin g t e c h n o l o g y i n t h e h i g h p r e s s u r e a n d l o w p e r m e a b i l i t y m i n e[ J ] ．J o u rna l o f C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ， 2 0 1 0， 3 3 7 1 0 4 - 1 0 6 ． [ 3 ] 姜光杰 ， 孙明闯 ， 付江伟． 煤矿井下定 向压裂增透 消突成套 技术 研究及应用 [ J ] ． 中国煤炭 ， 2 0 0 9 1 1 1 0 1 4 ． J i a n g G u a n g j i e ， S u n Mi n g c h u a n g ， F u J i a n g w e i ． R e s e a r c h a n d a p p l i - c a t i o n o f c o mp l e t e s e t o f t e c h n o l o gy f o r d i r e c t i o n a l f r a c t u ri n g t o i n c r e a s e c o a l s e a m p e r me a b i l i t y a n d e l i mi n a t e c o a l ／ g a s o u t b u r s t s i n u n d e r g r o u n d c o a l m i n e s [ J ] ． C h i n a C o a l ， 2 0 0 9 1 1 1 0 1 4 ． [ 4 ] H o l d i t c h S A， E l y J w， S e m me l b e c k M E， e t a 1 ． E n h a n c e d r e c o v e r y o f c o a l b e d me t h a n e t h r o u g h h y d r a u l i c f r a c t u ri n g [ A] ． S o c i e t y o f P e - t r o l e u m E n g i n e e r s o f A I ME[ c] ．S P E 1 8 2 5 0， 1 9 8 8 6 8 9 6 9 7 ． [ 5 ]P a l me r I D， I n d u c e d s t r e s s e s d u e t o p r o p p e d h y d r a u l i c f r a c t u r e i n c o a l b e d m e t h a n e w e l l s [ A] ． R o c k y M o u n t a i n R e g i o n a l Me e t i n g ／ L o w P e r m e a b i l i t y R e s e r v o i r s S y m p o s i u m a n d E x h i b i t io n [ c] ． 1 9 9 3 2 2 1 -2 4 4． [ 6] O l s e n T N， B r a t t o n T R， D o n ald A， e t a 1 ． A p p l i c a t i o n o f i n d i r e c t f r a e ． t u ri n g f o r e ffic i e n t s t i mu l a t i o n o f c o a l b e d me t h a n e[ A] ． S o c i e t y o f P e t r o l e u m E n g i n e e rs Ro c k y Mo u n t a i n Oi l a n d Ga s Te c h n o l o gy S y m p o s i u m 2 0 0 7[ c ] ． 2 0 0 7 4 3 3 4 4 2 ． [ 7 ] 赵振保 ． 变频脉 冲式煤层注水技术研 究[ J ] ． 采矿与安全工程学 报 ， 2 0 0 8 ， 2 5 4 4 8 6 4 8 9 ． Zh a o Z h e n b a o ． S t u d y o f t e c h n o l o gy o f v a r i a b l e 一 e q u e n c y p u l s e wa t e r i n f u s i o ni n t o c o a l s e a m[ J ] ． J o u r n al o f Mi n i n g＆S a f e t yE n g i n e e ri n g ， 2 0 0 8 ， 2 5 4 4 8 6 4 8 9 ． [ 8 ] 张景松． 难 以抽放煤层高压脉动水力压裂技术项 目报告 [ R] ． 徐 州 中国矿业大学 ， 2 0 0 9 5 7 5 8 ． [ 9 ] 中国矿业大学 北京 ． 高压脉动注水 防治煤 岩动力灾害 的方法 及装备 [ P ] ． 中国专利 2 0 0 9 1 0 o 8 3 4 1 6 ． 3 ， 2 0 0 9 0 9 2 3 ． [ 1 O ] 唐书恒 ， 朱宝存 ， 颜志丰． 地应力对煤层气井水力压裂裂隙发育 的影 响[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 6 5 6 9 ． Ta n g S h u h e n g， Z h u Ba o c u n， ra n Z h i f e n g ． Ef f e c t o f c r u s t al s t r e s s o n h y d r a u l i c f r a c t u ri n g i n c o a l b e d m e t h a n e w e l l s [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 6 5 - 6 9 ． [ 1 1 ] 丁隧栋， 孙利民． 断裂力学[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 7 8 0-1 2 5． [ 1 2 ] 葛修润． 周期荷载作用下岩石大型三轴试验 的变形和强度特性 研究 [ J ] ． 岩土力学 ， 1 9 8 7 ， 8 2 1 2 1 5 ． Ge Xi u r u u ．S t u