姚壯壯
(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400037;2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司, 重慶 400037)
高瓦斯、碎軟、低滲煤層的瓦斯治理一直是業(yè)界難題[1-2]。如何提高煤層的透氣性是我國(guó)各科研院所、高校以及煤炭企業(yè)一直以來(lái)研究的重要課題[3-7]。目前已形成一系列煤層瓦斯強(qiáng)化抽采技術(shù),包括鉆孔深孔預(yù)裂爆破、水力沖孔、水力割縫、水力壓裂等[8-10]。董鋼鋒等[11]運(yùn)用高水壓射流擴(kuò)孔技術(shù)來(lái)提高穿層鉆化預(yù)抽放效果;藍(lán)成仁[12]進(jìn)行了大量的穿層深孔爆破提離瓦斯抽放技術(shù)工業(yè)實(shí)驗(yàn),并闡述了其作用機(jī)理。為了縮短瓦斯抽采時(shí)間,保證煤礦井下安全高效生產(chǎn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在技術(shù)工藝上有所突破[13-18]。
通過(guò)數(shù)值模擬方法,分析注入高壓水后地應(yīng)力的變化對(duì)底板巖石預(yù)抽巷應(yīng)力及位移的影響,確保試驗(yàn)區(qū)的壓裂施工安全。陽(yáng)煤集團(tuán)寺家莊礦15號(hào)煤層瓦斯含量高、透氣性差,導(dǎo)致抽采困難、生產(chǎn)接替緊張等一系列問(wèn)題。筆者以該礦為例,分析了底抽巷穿層鉆孔的可壓性,并在可壓的前提下對(duì)試驗(yàn)區(qū)開(kāi)展的水力壓裂進(jìn)行效果考察,形成了一種適用于穿層鉆孔水力壓裂的成套技術(shù)體系,為穿層鉆孔水力壓裂提供了理論支撐和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。
本次壓裂試驗(yàn)區(qū)在寺家莊礦15117工作面回風(fēng)底抽巷。圈定的壓裂試驗(yàn)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育,透氣性差,在壓裂試驗(yàn)范圍內(nèi)無(wú)透水型地質(zhì)構(gòu)造,煤層頂板、底板遇水不易膨脹,且頂?shù)装鍩o(wú)含水層,該區(qū)域理論上滿足進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)需求。
水力壓裂施工可能會(huì)造成底抽巷頂板離層、垮落、片幫等情況,為了預(yù)防這些情況發(fā)生,根據(jù)寺家莊礦壓裂試驗(yàn)區(qū)資料,模擬在支護(hù)條件下水力壓裂實(shí)施前后應(yīng)力及位移變化。通過(guò)前后對(duì)比,得出水力壓裂高壓水對(duì)實(shí)驗(yàn)巷道造成的影響。壓裂鉆孔布置如圖1所示,本次模擬選取2號(hào)壓裂孔,擬注水90 m3,最大注水壓力20 MPa。
圖1 2號(hào)壓裂鉆孔布置剖面Fig. 1 No.2 fracturing borehole layout profile
試驗(yàn)巷道壓裂地點(diǎn)與煤層垂距均大于20 m。根據(jù)鉆孔資料,建立了尺寸為150 m×100 m×80 m的數(shù)值模擬模型,見(jiàn)圖2。模型邊界條件:豎直方向上施加豎向荷載模擬上覆巖層自重,X、Y方向限制水平移動(dòng),Z方向限制底面垂直方向位移。模型深300 m,容重取25 kN/m3,故模型上邊界施加7.5 MPa的應(yīng)力值,記模型煤巖層密度為ρ,體積模量為Kv,內(nèi)聚力為c,內(nèi)摩擦角為θ。模型圍巖參數(shù)見(jiàn)表1。
圖2 底抽巷數(shù)值模擬模型 Fig. 2 Numerical simulation model of bottom extraction roadway
表1 計(jì)算模型煤巖層參數(shù)
首先,模擬試驗(yàn)巷道水力壓裂之前支護(hù)狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)。因本次壓裂設(shè)計(jì)為上向壓裂孔,所以主要分析巷道所受垂直應(yīng)力變化。圖3為水力壓裂實(shí)施前試驗(yàn)巷道垂直應(yīng)力云圖,從圖中可以看出,最大垂直應(yīng)力為11 MPa,左右兩幫應(yīng)力分布均勻。
圖3 水力壓裂前巷道垂直應(yīng)力云圖Fig. 3 Vertical stress nephogram of roadway before hydraulic fracturing
最大注水壓力20 MPa,高壓水壓力與原巖應(yīng)力疊加,相當(dāng)于在鉆孔中心施加最大垂直應(yīng)力30 MPa,模擬高壓水應(yīng)力對(duì)鉆孔周圍應(yīng)力影響,應(yīng)力值向四周逐漸減小,在35 m范圍內(nèi)減小至原巖應(yīng)力10 MPa。模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。
圖4 水力壓裂實(shí)施后煤層平面方向垂直應(yīng)力云圖Fig. 4 Vertical stress nephogram in plane direction of coal seam after hydraulic fracturing
圖5為施加水力壓裂后,試驗(yàn)區(qū)巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖。壓裂孔施工在巷道左幫,在高壓水的作用下,左幫垂直應(yīng)力最大值為16 MPa,比壓裂前增加了5 MPa。右?guī)痛怪睉?yīng)力最大值為13 MPa,比壓裂前增加了2 MPa。應(yīng)力分布不再均勻。
圖5 水力壓裂后巷道垂直應(yīng)力云圖Fig. 5 Vertical stress nephogram of roadway after hydraulic fracturing
圖6為巷道支護(hù)條件下垂直位移云圖,從圖中可知,頂?shù)装逦灰贫驾^小,頂板位移為1 cm,底板位移為2 cm,巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。
圖6 水力壓裂實(shí)施前巷道垂直位移云圖Fig. 6 Vertical displacement nephogram of roadway before hydraulic fracturing
圖7為巷道在施加水力壓裂后的垂直位移云圖,從圖中可以看出,實(shí)施水力壓裂后,頂板位移為5 cm,增加了4 cm, 底板位移為2 cm,維持不變,由于巷道圍巖巖性穩(wěn)定,加之支護(hù)到位,巷道仍處于穩(wěn)定狀態(tài),由此可知,水力壓裂對(duì)試壓巷道影響甚微。
圖7 水力壓裂實(shí)施后巷道垂直位移云圖Fig. 7 Vertical displacement nephogram of roadway after hydraulic fracturing
壓裂區(qū)與未壓裂區(qū)瓦斯抽采濃度變化曲線如圖8所示,壓裂后經(jīng)抽采效果考察得出:壓裂單元瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)φ為13.9%~36.5%,平均為29.1%;而未壓裂區(qū)域鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為5.9%~11.8%,平均為9.3%,壓裂后瓦斯平均抽采濃度是未壓裂區(qū)域瓦斯抽采濃度的3.1倍。
圖8 壓裂區(qū)與未壓裂區(qū)瓦斯抽采濃度變化對(duì)比Fig. 8 Contrast of gas drainage concentration change between fractured and unfractured areas
壓裂區(qū)域抽采純量為0.97~3.44 L/min,平均瓦斯抽采純量為2.04 L/min,而非壓裂區(qū)抽采純量為0.19~0.52 L/min,平均瓦斯抽采純量為0.36 L/min,壓裂后平均瓦斯抽采純量是未壓裂區(qū)域的5.7倍,見(jiàn)圖9,明顯提高了瓦斯抽采效率。
圖9 壓裂區(qū)與未壓裂區(qū)瓦斯抽采純量變化對(duì)比Fig. 9 Contrast of gas drainage purity change between fractured and unfractured areas
(1)通過(guò)數(shù)值模擬分析寺家莊煤礦底板巷穿層鉆孔可壓性并得出,壓裂后巷道應(yīng)力值變化,左右兩幫應(yīng)力值不再均勻,壓裂測(cè)巷幫應(yīng)力變大;壓裂后巷道變形量變化較小,可知水力壓裂對(duì)試驗(yàn)區(qū)底抽巷影響不大,可以滿足水力壓裂施工要求。
(2)壓裂區(qū)抽采單元瓦斯平均抽采濃度和純量分別是非壓裂區(qū)的3.1和5.7倍,瓦斯抽采增滲效果明顯。