单一松软煤层顶板压裂增透的数值模拟分析

单一松软煤层顶板压裂增透的数值模拟分析
屈平
【摘要】鉴于本煤层水力压裂存在的缺陷,采用压裂煤层顶板实现煤层卸压增透.根据不同开口高度设置了5种模拟方案进行了数值模拟.通过声发射及剪应力分布,研究了不同开口高度条件下顶板压裂裂隙扩展动态特征.分析了压裂孔开口高度对顶板压裂效果的影响.结果表明,开口高度对顶板压裂裂隙扩展具有重要影响,增透效果随着开口高度的增大呈先增强后降低的变化趋势,开口高度为1～3m时,顶板单孔压裂后煤层增透范围在水平方向超过17m.当开口高度为1～2m时,增透效果最佳,且工程量相对较小,建议开口高度设置在此范围内.
【期刊名称】《中州煤炭》
【年(卷),期】2016(000)002
【总页数】4页(P45-48)
【关键词】单一松软煤层;顶板压裂;裂隙扩展;增透;数值试验
【作者】屈平
【作者单位】霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿,山西吕梁033102
【正文语种】中文
【中图分类】TD713.3
目前，我国绝大部分高瓦斯和突出矿井所采煤层属于低渗煤层，透气性差，瓦斯抽采困难，效率偏低。

作为一种低渗煤层卸压增透措施，水力压裂具有工艺简单、影响范围大、危险性小等优点，近年来得到广泛应用[1]。

目前，水力压裂主要采用
穿层钻孔与顺层钻孔2种方式，要求压裂孔和抽采孔全部或部分布置在本煤层中[2]，当增透目标煤层较为松软时，钻孔施工困难且危险，即使施工好的钻孔，受
地应力、构造应力、采掘应力等因素的影响，在短时间内会出现坍塌、压实等现象，导致卸压增透范围很小，效果很差，甚至没有效果[3]。

因此，在单一松软煤层中
实施水力压裂增透措施往往达不到理想的效果，造成大量人力、物力及财力的浪费。

针对以上问题，本文采用在单一松软煤层顶板压裂实现煤层卸压增透，以提高松软煤层透气性和瓦斯抽采率。

对顶板进行压裂，可以借助顶板岩体具有较高强度的特点，能够避开在松软煤层内施工钻孔的各种不利因素，克服松软煤层中再生裂隙易闭合的缺陷[4]，可以在顶板岩体内形成瓦斯“虚拟储层”及裂隙通道，为煤层瓦
斯高效抽采创造条件。

通过顶板压裂进行单一松软煤层卸压增透是一种新的尝试，目前，此方面的研究还较少，对其过程及机理还不清楚。

本文运用数值分析的方法，对单一松软煤层顶板压裂进行数值模拟，研究其裂隙扩展过程及规律，明确顶板压裂对煤层卸压增透的作用机理，以期为现场实施提供技术支持。

单一松软煤层顶板压裂增透实体模型如图1所示，其原理是在松软煤层顶板中垂
直于煤层与顶板接触面一定高度处(以下简称开口高度L)开口施工平行于煤层的长
钻孔，封孔后向钻孔内注入高压水，在高压水力作用下，顶板与下覆煤层一定范围内产生大量连通裂隙而增加煤岩体的渗透性，从而实现松软煤层卸压增透的目的。

为分析顶板压裂过程中裂隙在顶板及煤层中的扩展规律，明确顶板压裂对煤层卸压增透的作用机理，运用RFPA2D-Flow软件进行顶板压裂数值模拟。

RFPA软件是一个能模拟岩体介质渐进破裂直至失稳全过程的数值试验工具，其可将材料介质模型离散化成由细观基元组成的数值模型，假定离散化后的细观基元的力学性质服从某种统计分布规律，由此建立细观与宏观介质力学性能的联系[5]。

运用RFPA2D-Flow可以监测压裂过程中介质的声发射AE次数、能量，弹模，应力(剪应力、最
大主应力、最小主应力)以及水压力等的变化特征并进行图显及数显[6]，本文主要通过声发射及剪应力分布分析压裂过程裂隙扩展动态特征。

顶板压裂数值计算模型如图2所示。

选用二维平面应变模型，屈服原则采用修正
后的库仑准则。

模型尺寸为30 m×40 m，划分为120 000(300×400)个单元。

在模型顶部施加竖直载荷6 MPa，等效顶板上部的岩层所受重力，侧向施加水平载
荷4 MPa，为水平地应力。

边界条件为：两端水平约束，可以垂直移动，底端固定，模型四周为常水压边界(0 MPa)。

压裂孔直径90 mm，初始水压10 MPa，
每步增加0.5 MPa。

数值模型参数设置见表1。

数值模拟方案根据压裂钻孔距煤层的法向距离(即开口高度)L确定，将L设置为0.5，1，2，3，4 m，以分析开口高度L对顶板压裂裂隙扩展过程、应力分布及压裂影响范围的影响程度。

2.1 顶板压裂裂隙扩展过程分析
2.1.1 开口高度为0.5，1，2，3 m
由图3可知，L=0.5，1，2，3 m时顶板压裂裂隙扩展过程分为4个阶段。

(1)应力累积阶段(①—②阶段)：该阶段水压相对较小，压力水以渗流方式进入顶
板岩体原始裂隙中，主要特征是在压裂孔壁周围形成一个近似环状白色应力增高带，其范围逐渐向周围扩大[7]。

(2)顶板岩体裂隙稳定扩展阶段(②—③阶段)：该阶段压裂孔孔壁上出现声发射，
说明裂纹开始萌生。

水压的增大使得声发射次数加速增长，裂纹增多，微裂纹扩展，其中部分微裂纹会加速扩展，形成微裂隙，裂隙扩展对水压比较敏感，此时水压已足够大，主裂隙开始形成并扩展，以压裂孔为中心对称点呈翼形分布，形成局部破坏带，产生的次生裂缝扇形分布在主裂缝的端部。

此阶段压裂再生裂隙的扩展主要发生在顶板岩体内。

(3)顶板裂隙向煤层扩散阶段(③—④阶段)：顶板岩体裂隙扩展到一定程度后，靠
近煤层一侧的扇形次生裂缝的顶端已接近煤层，虽未扩展到煤层，但顶板岩体与煤
层煤体物理力学参数的差异开始影响裂隙进一步扩展的方向，而且会使得裂隙产生向煤层方向扩散的倾向，裂隙进一步扩展表明这种倾向性愈加明显，而且裂隙会很快穿越顶板与煤层的交接面而扩展至煤层内部。

(4)煤层裂隙稳定扩展阶段(④—⑤阶段)：裂隙扩展至煤层后，在煤层内稳定扩展，同时顶板岩体裂隙也进一步扩展，此时主裂缝的尖端萌发出多条不规则裂缝，裂缝分叉明显，次生裂缝的数量和规模大幅度增加。

当裂缝发育并扩展到一定程度时，压裂失稳，模型破裂[8]。

2.1.2 开口高度为4 m
当L=4 m时，顶板压裂裂隙扩展过程分为3个阶段。

(1)应力累积阶段(①—②阶段)：主要特征是在压裂孔孔壁周围逐步形成近似环状
白色压力增高带。

(2)顶板岩体裂隙稳定扩展阶段(②—③阶段)：在压裂孔周围逐步产生以压裂孔为
中心呈对称翼形分布的主裂隙。

(3)顶板岩体裂隙失稳扩展破裂阶段(③—④阶段)：主裂隙急剧拓展，其尖端萌发
出多条不规则裂缝，裂缝分叉明显。

当主裂缝扩展到一定程度时，压裂失稳，模型破裂。

由图3可知，L=4 m时顶板压裂裂隙扩展过程与其他4种压裂过程的显著的不同
之处在于裂隙几乎没有向煤层扩展，说明开口高度L对裂隙扩展具有重要影响。

2.2 压裂孔开口高度对顶板压裂效果的影响分析
由图3得出，若L较小，压裂孔距煤层较近，裂隙会较快扩展到煤层，顶板岩体
压裂范围较小，使得煤层卸压区域也较小，单孔顶板压裂的范围较小，效果不理想，图3中L=0.5 m时的顶板压裂结果可说明此点。

若L较大，压裂孔距煤层较远，
顶板岩体裂隙需要较长时间才能扩展至煤层，势必增大工程量；L较大理论上可以增大煤层卸压范围，但也存在裂隙无法扩展至煤层的风险，L=4 m时的顶板压裂
结果可以说明此点。

为评价顶板压裂煤层卸压增透效果，设置2个参数：①顶板压裂后产生的裂隙在
煤层与顶板交接面处的最大水平分布范围，简称为破面长度M；②顶板压裂裂隙
在煤层中最大水平扩展范围，简称为增透范围N。

根据数值模拟结果统计了破面
长度M及增透范围N与开口高度L的关系(图4)。

由图4可知，随着开口高度L的增大，破面长度M与增透范围N呈先增大后减小、直至为0的变化趋势，说明开口高度L对顶板压裂裂隙扩展及煤层增透范围具有
重要影响作用。

开口高度L设置为1～3 m时，顶板单孔压裂后煤层增透范围在水平方向可达17 m以上。

开口高度越大，压裂孔距煤层越远，势必造成裂隙扩展较长距离才能到达煤层，增加压裂时间。

因此，建议将开口高度L设置为1～2 m，不宜超过2 m。

运用数值分析方法，针对5种不同开口高度设置模拟方案，对单一松软煤层顶板
压裂进行了数值分析，得出以下主要结论。

(1)当L=0.5，1，2，3 m时顶板压裂裂隙扩展过程分为4个阶段：应力累积阶段、顶板岩体裂隙稳定扩展阶段、顶板裂隙向煤层扩散阶段、煤层裂隙稳定扩展阶段。

当L=4 m时顶板压裂裂隙扩展过程分为3个阶段：应力累积阶段、顶板岩体裂隙稳定扩展阶段、顶板岩体裂隙失稳扩展破裂阶段。

说明开口高度L对顶板压裂裂
隙扩展具有重要影响作用。

(2)破面长度M与增透范围N随着开口高度L的增大呈先增大后减小，直至为零
的变化趋势。

开口高度L设置为1～3 m时，顶板单孔压裂后煤层增透范围在水平方向超过17 m。

综合分析认为，最佳开口高度宜在1～2 m取值，不宜超过2 m。

(3)数值模拟结果表明，顶板压裂裂隙能扩展至煤层，并在煤层内进一步发展，使
煤层实现卸压增透。

开口高度的设置至关重要，本文结论是在特定条件下得出的，现场应用时要根据实际煤岩物理条件确定，建议通过现场考察方式确定最佳开口高
度。

【相关文献】
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