李 磊

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.國(guó)家煤礦安全技術(shù)工程研究中心，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

豫西“三軟”礦區(qū)大多屬于低滲透性、難抽采、高瓦斯礦區(qū)， 隨著開采深度的增加，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性增加，預(yù)抽煤層瓦斯的區(qū)域性瓦斯治理方法是解決煤礦開采中瓦斯災(zāi)害威脅的重要手段。近年來，對(duì)于低透氣性較難抽采的突出煤層，為提高其預(yù)抽煤層瓦斯效果，作為被動(dòng)增透技術(shù)之一的水力壓裂技術(shù)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)與工程應(yīng)用。由于豫西滑動(dòng)構(gòu)造形成的“三軟”煤層具有透氣性差、瓦斯含量差異大、衰減快、高構(gòu)造變動(dòng)的特點(diǎn)以及片狀—鱗片—碎粒—碎粉類散體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此研究“三軟”煤層水力壓裂條件下的防突增透作用機(jī)理、水力壓裂條件下煤體的應(yīng)力—應(yīng)變及壓裂孔孔徑對(duì)瓦斯運(yùn)移作用效果影響，對(duì)于合理使用水力壓裂增透措施、提高抽采效率具有重要意義。鑒于此，本文以COMSOL軟件為分析平臺(tái)，以告成煤礦25011工作面下副巷、中底抽巷為實(shí)例，建立了“三軟”煤層水力壓裂三維多物理場(chǎng)耦合模型。通過模擬整個(gè)注水壓裂過程，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得到了壓裂過程的壓力分布和變形過程、壓裂液滲擴(kuò)過程，討論了“三軟”煤層水力壓裂防突增透作用機(jī)理及適用條件。

1 水力壓裂防突增透作用機(jī)理

煤層水力壓裂以大于煤層濾失速率的注入量和破裂壓力的壓力，通過鉆孔將水沿煤層結(jié)構(gòu)弱面或原生裂隙注入，水壓大于煤層起裂壓力時(shí)，煤層沿結(jié)構(gòu)弱面形成多級(jí)裂隙，并通過裂隙的擴(kuò)展、連通形成多裂隙網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)煤體整體均勻卸壓，從而增加煤體透氣性、消除局部應(yīng)力集中。同時(shí)，由于煤對(duì)瓦斯、水的吸附親和性差異，在壓力作用下壓裂液流動(dòng)導(dǎo)致瓦斯驅(qū)替作用。水力壓裂通過煤體內(nèi)造縫增透、瓦斯驅(qū)替及卸壓增透達(dá)到煤層增透、防突作用。

2 數(shù)值計(jì)算模型

本次模擬告成煤礦25011下副巷、中底抽巷掘進(jìn)區(qū)域條帶。告成煤礦屬煤與瓦斯突出礦井，25011下副巷沿突出煤層二1煤層布置，煤層傾角為2°～12°；工作面傾斜長(zhǎng)185 m、走向長(zhǎng)1000 m；煤層厚度0.2～8.4 m，平均厚度4.5 m。瓦斯含量3.56～10.94 m3/t，該工作面煤體堅(jiān)固性系數(shù)f<0.1～0.25，瓦斯放散初速度Δp為23.43。直接頂主要為泥巖，直接底為砂質(zhì)泥巖，屬典型的豫西“三軟”煤層。

本模型的建立基于以下假設(shè)：

(1)煤層為各向同性的多孔彈性介質(zhì)；

(2)由于施工中的排煤卸壓作用，在壓裂過程中壓裂鉆孔一定范圍為變飽和區(qū)；

(3)壓裂過程中煤層頂?shù)装鍨楣潭s束、不透水層，其滲流量、位移量均為0；

(4)煤體中瓦斯、水的流動(dòng)均為層流，流場(chǎng)中任意點(diǎn)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。

根據(jù)工作面煤層賦存條件，采用三維多孔介質(zhì)流體力學(xué)模型。模型高度(z向)、寬度(y向)和長(zhǎng)度(x向)分別為4.5 m、40 m和40 m，整個(gè)模型采用自由四面體網(wǎng)格劃分，共劃分為39262個(gè)單元，如圖1所示。建立模型Ⅰ多孔介質(zhì)兩相流、模型Ⅱ多孔介質(zhì)固體力學(xué)兩個(gè)模型。為進(jìn)行研究對(duì)比，模型Ⅰ設(shè)置了3個(gè)數(shù)值模型，分別模擬變飽和帶直徑分別為0.5 m、1 m、2 m對(duì)水力壓裂中壓裂液運(yùn)移情況。

依據(jù)井下測(cè)量結(jié)果，在模型頂部施加等效于頂板上部巖層自重的豎直載荷8.58 MPa，模型瓦斯壓力P0=2.0 MPa。邊界條件為:模型頂、底端固定，四周為常水壓邊界(0 MPa)，可以水平移動(dòng)。模型鉆孔深2.8 m，初始水壓0 MPa，持續(xù)增加到21 MPa左右，壓裂時(shí)間4 h, 煤體密度ρ1為1.35×103kg/m3，吸附常數(shù)α為45.26 kg/m3，吸附常數(shù)b為0.5724，初始參透率k0為2.03×10-17m2，初始孔隙率φ0為0.0812，初始地應(yīng)力為8.58 MPa，瓦斯動(dòng)力粘性系數(shù)為1.08×10-5Pa·s，水的動(dòng)力粘性系數(shù)為1.404×10-3Pa·s，泊松比為0.25，彈性模量為2.1 GPa，原始瓦斯含量為7.9 m3/t，瓦斯密度ρ2為0.714 kg/m3，原煤水分為1.1 %，原煤灰分為13.87%，水密度ρ3為1.0×103kg/m3。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖2～8為各模型的數(shù)值模擬結(jié)果，分別給出了水力壓裂條件下原始煤體內(nèi)應(yīng)力、速度場(chǎng)分布及壓裂液擴(kuò)滲、位移動(dòng)態(tài)演化圖。本文通過壓力分布動(dòng)態(tài)分析壓裂壓力對(duì)原始煤體內(nèi)應(yīng)力集中區(qū)的影響及瓦斯壓力變化情況，并通過瓦斯“壓力-含量”的換算關(guān)系分析煤體瓦斯含量變化，通過速度場(chǎng)分布情況描述壓裂過程中壓裂液的運(yùn)移擴(kuò)散過程，煤體的位移變化可以解釋煤體內(nèi)裂隙動(dòng)態(tài)深化過程。

3.1 模型Ⅰ的結(jié)果與分析

模型Ⅰ為煤層在20 MPa水力壓裂條件下“三軟”煤層中孔隙壓力傳遞及孔隙中壓裂液運(yùn)移速度場(chǎng)模型。模型中直徑94 mm的壓裂鉆孔內(nèi)壓裂液流動(dòng)采用管道流動(dòng)模型。由于壓裂鉆孔施工過程中排出煤屑，導(dǎo)致鉆孔周圍一定范圍內(nèi)煤體卸壓，同時(shí)煤體釋放出部分瓦斯，該區(qū)域在水力壓裂過程中形成變飽和流場(chǎng)區(qū)，變飽和流場(chǎng)區(qū)大小用半徑r描述，壓裂液滲流采用Richard方程描述。由于壓裂液注入，變飽和區(qū)煤體水分的飽和度設(shè)為0.12，原始煤體中水的飽和度為原煤水分，即0.011。卸壓煤體以外的區(qū)域到模型邊界視為原始煤體區(qū)，同時(shí)存在瓦斯、水兩種不混流的氣、液流體，采用兩相Darcy定律描述其在煤體中流動(dòng)。

直徑1 m的變飽和區(qū)原始煤體內(nèi)壓力及速度場(chǎng)如圖2所示，圖中箭頭長(zhǎng)度、方向?yàn)閴毫岩哼\(yùn)移速度的大小及方向。加載初期，鉆孔內(nèi)水壓在1 min內(nèi)上升到泵控壓力。隨著壓裂液在松軟煤層中滲透，由于孔隙率減少、壓裂鉆孔法向方向煤體內(nèi)瓦斯壓力的增加及孔隙摩擦阻力作用，自變飽和區(qū)向原始煤體區(qū)煤體內(nèi)壓裂液壓力及運(yùn)移的速度急劇衰減。在壓力作用下，壓裂液自壓裂孔以遠(yuǎn)大于煤體內(nèi)瓦斯壓力的壓力滲入煤體的過程如圖3所示。由圖3可以看出，隨著時(shí)間的增加，壓裂液在原始煤體中逐步擴(kuò)滲，72 h時(shí)(如圖3(f)所示)以壓裂孔為中心、半徑約12 m圓形區(qū)域原始煤體中含水量遞減，邊緣區(qū)的含水量達(dá)到3%左右。在20 MPa水力壓裂條件下，變飽和區(qū)直徑分別為1 m、2 m時(shí)原始煤體內(nèi)的壓力分析及速度場(chǎng)如圖4所示。圖5(a)和圖5(b)顯示，變飽和區(qū)半徑分別為1 m、2 m時(shí)，72 h(t=4320 min)時(shí)以壓裂孔為中心，半徑分別為14 m、20 m圓形區(qū)域邊緣的原始煤體中含水量為3%左右。分別對(duì)比圖2、圖4及圖3、圖5，可以發(fā)現(xiàn)隨著變飽和區(qū)范圍的擴(kuò)大，由于壓裂液壓力損失速率減小，壓裂液滲擴(kuò)范圍隨之?dāng)U大，壓裂液滲擴(kuò)范圍速度場(chǎng)衰減呈倍數(shù)減少。

圖2 模型在20 MPa水力壓裂條件下原始煤體切面內(nèi)壓力及速度場(chǎng)

圖3 模型中原始煤體內(nèi)飽和流體運(yùn)移動(dòng)態(tài)

圖4 不同直徑變飽和區(qū)原始煤體壓力及速度場(chǎng)

圖5 不同直徑變飽和區(qū)飽和流體運(yùn)移范圍

3.2 模型Ⅱ的結(jié)果與分析

模型Ⅱ?yàn)樗毫褩l件下原始煤體內(nèi)瓦斯壓力和位移的變化情況。煤體內(nèi)應(yīng)力設(shè)定為瓦斯壓力，煤體表面及切面位移總量及應(yīng)力如圖6、7所示。從圖6、圖7可以看出，水力壓裂作業(yè)前，長(zhǎng)方體模型的棱為高應(yīng)力區(qū)。隨著水力壓裂的進(jìn)行，在壓裂液高壓和瓦斯壓力共同作用下，模型邊界4個(gè)角部的總位移量逐步減小、以角部為中心位移量減少區(qū)域的范圍逐步擴(kuò)大，與此同時(shí)，y、z平面內(nèi),模型四邊的總位移量較大的區(qū)域向各邊的中心點(diǎn)逐步縮小。第12 min時(shí)，角部位移總量達(dá)到最小值，角部高應(yīng)力區(qū)消失；第24 min時(shí)，模型各邊的總位移量達(dá)到最小值，邊界高應(yīng)力區(qū)消失。壓裂作業(yè)停止時(shí)，模型邊界高應(yīng)力區(qū)恢復(fù)到壓裂作業(yè)前。整個(gè)壓裂作業(yè)過程除模型邊界外的原始煤體區(qū)均為低應(yīng)力區(qū)。由此可見，壓裂液的高壓可以起到對(duì)局部應(yīng)力集中帶卸壓進(jìn)而消突的作用。

從模型表面壓力來看，壓裂時(shí)煤體中游離瓦斯自壓裂孔沿法向方向向外運(yùn)移，模型邊緣區(qū)域的瓦斯壓力最先減小形成低壓區(qū)，模型中部為高壓區(qū)。隨著壓裂作用的持續(xù)，以壓裂孔為中心的高壓區(qū)持續(xù)縮小，第34～36 min時(shí)模型中瓦斯壓力高壓區(qū)最小。此后隨著瓦斯壓力的減小，在上覆巖層的壓力作用下，模型表面壓力逐步呈現(xiàn)負(fù)值。同時(shí)，表面總位移量呈現(xiàn)大-小-大的規(guī)律，煤體的裂隙孔隙經(jīng)歷了“膨脹-壓縮”兩個(gè)階段。由于多孔彈性模型未考慮“液—?dú)狻彬?qū)替后模型孔隙中壓裂液壓力形成的模型內(nèi)的應(yīng)力對(duì)上覆巖層的支撐作用、煤體吸附瓦斯脫吸的“時(shí)間—壓力”綜合效應(yīng)及殘存瓦斯的不可替性，所以模型最后表面壓力為上覆巖層的壓力與模型內(nèi)瓦斯壓力之和。模型Ⅱ中原始煤體內(nèi)瓦斯壓力演變過程表明：由于水對(duì)瓦斯驅(qū)替能力大于瓦斯對(duì)水驅(qū)替能力、水對(duì)煤體瓦斯的置換作用，高壓注入的水力壓裂液對(duì)目標(biāo)區(qū)的瓦斯進(jìn)行了驅(qū)替。模型Ⅱ中煤體表面位移變化情況表明，水力壓裂對(duì)原始煤體裂隙孔隙增加不明顯。

圖7 切面位移總量及應(yīng)力

圖8 表面位移等值線及壓力

4 工程驗(yàn)證及效果考察

4.1 壓裂施工

水力壓裂孔前后40 m范圍內(nèi)的鉆孔使用水泥漿注實(shí)，同時(shí)斷層附近40 m范圍內(nèi)不布置壓裂鉆孔，保證設(shè)計(jì)壓裂作用半徑范圍內(nèi)在水力壓裂過程中不漏水。其中25011下副巷的壓裂目標(biāo)區(qū)為煤巷條帶區(qū)域措施區(qū)域，25011中底抽巷壓裂目標(biāo)區(qū)為該巷道在工作面煤層正投影兩側(cè)各20 m區(qū)域，主要為采煤工作面區(qū)域抽采防突措施增透。結(jié)合25011工作面的地質(zhì)資料及巷道布置情況，下副巷、中底抽巷分別布置了21個(gè)和33個(gè)水力壓裂鉆孔，設(shè)計(jì)壓裂半徑20 m，孔間距40 m。

圖9 25011工作面壓裂前后瓦斯含量等值線圖

2017年6月21日～7月12日、9月20日～10月6日，先后對(duì)25011下副巷、中底抽巷進(jìn)行了壓裂作業(yè)，每孔注水時(shí)間3.18～4.80 h。注水結(jié)束鉆孔取樣實(shí)測(cè)煤層含水量及瓦斯含量，72 h內(nèi)采用瞬變電磁法對(duì)壓裂目標(biāo)區(qū)進(jìn)行物探。

4.2 水力壓裂作用半徑分析

水力壓裂后，對(duì)壓裂目標(biāo)區(qū)的煤層進(jìn)行了含水率、視電阻率測(cè)定。水力壓裂后目標(biāo)區(qū)域煤層含水率增加1%～2%。壓裂目標(biāo)煤巷條帶壓裂后保壓期間異常低阻區(qū)呈近圓形、橢圓形，直徑20～25 m，較正常值低7～13 Ω·m。綜合壓裂前后煤層含水量、瞬變電磁視電阻率可知，水力壓裂作用半徑達(dá)到20～25 m。

4.3 壓裂后煤層瓦斯含量分析

水力壓裂前后，對(duì)目標(biāo)壓裂區(qū)控制的30 m范圍煤層取樣,實(shí)測(cè)二1煤層瓦斯含量平均降低約1～2.5 m3/t。水力壓裂前后煤層瓦斯含量等值線如圖9所示。由圖9可以看出，水力壓裂后無構(gòu)造目標(biāo)區(qū)域瓦斯含量平均降低1～3.5 m3/t。由于壓裂施工時(shí)間差及壓裂鉆孔作用半徑內(nèi)瓦斯放射狀驅(qū)替，部分被驅(qū)離的瓦斯在相鄰壓裂鉆孔間游離形成了局部瓦斯富集。工作面區(qū)域的3條正斷層為被驅(qū)替的瓦斯進(jìn)入其他儲(chǔ)層提供了進(jìn)入頂?shù)装濉疤摂M儲(chǔ)層”的通道，在這類斷層附近，壓裂瓦斯含量降低3～6.5 m3/t。

為切斷壓裂過程中瓦斯向已壓裂區(qū)的運(yùn)移通道，實(shí)現(xiàn)瓦斯驅(qū)替方向精準(zhǔn)可控，可在壓裂鉆孔作用半徑外布置抽采鉆孔，通過鉆孔達(dá)到壓裂卸煤增透、抽采瓦斯的作用，實(shí)現(xiàn)“驅(qū)替+攔截+抽采”的綜合治理效果。

4.4 壓裂后鉆孔抽采參數(shù)分析

壓裂施工后，采集目標(biāo)區(qū)每組鉆孔的孔板濃度、流量測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)比25011上副巷未進(jìn)行水力壓裂區(qū)域的鉆孔抽采參數(shù)，水力壓裂區(qū)域與未進(jìn)行水力壓裂區(qū)域抽采鉆孔的單孔濃度、孔板濃度、流量均在開始抽采7～10 d后明顯衰減，水力壓裂區(qū)域每組鉆孔流量無明顯增加。

測(cè)流結(jié)果表明：水力壓裂區(qū)域抽放流量無明顯增加，一方面受該區(qū)域“三軟”煤層特性影響，水力壓裂未起到“造縫”作用，目標(biāo)區(qū)煤層透氣性增加不明顯，另一方面由于煤層注水導(dǎo)致煤體水分增加，煤體內(nèi)孔隙被堵塞，煤體瓦斯放散速率減少。

5 結(jié)論

(1)對(duì)于豫西“三軟”煤層，水力壓裂作用機(jī)理主要為瓦斯驅(qū)替及通過瓦斯驅(qū)替的卸壓作用消除因瓦斯賦存不均衡導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中，“造縫”增透作用不明顯。

(2)通過壓裂液對(duì)于豫西“三軟”煤層的瓦斯驅(qū)替，水力壓裂可以用于煤層瓦斯含量高于突出臨界值1.0～2.0 m3/t的煤層消突，在類似條件下可以實(shí)現(xiàn)煤巷條帶區(qū)域措施后的快速掘進(jìn)。

(3)水力壓裂驅(qū)替后目標(biāo)區(qū)邊界區(qū)域內(nèi)的局部瓦斯富集區(qū)域可以采用鉆孔抽采方式進(jìn)行該區(qū)域的瓦斯綜合治理。

(4)壓裂作用半徑隨壓裂鉆孔半徑增加而增加。