煤岩体水力压裂裂缝扩展及对瓦斯运移影响研究

随着煤矿开采深度的增加，煤与瓦斯突出危险性不断增加。对于低渗透性且具有突出危险的煤体，如何有效降低煤与瓦斯突出危险性是亟待解决的重大安全科技问题。煤岩体水力压裂是低渗透煤体瓦斯抽采、突出煤体消突的有效技术途径，尤其是对于单一低渗突出煤体。煤岩体水压裂缝的扩展及瓦斯运移是决定煤岩体水力压裂效果的主要因素。为此，本文以煤岩体水压裂缝扩展及瓦斯运移为主要研究对象，采用理论分析、数值计算和现场试验相结合的方法，系统、深入地研究了煤岩体水力压裂裂缝扩展及对瓦斯运移影响。本文的主要研究成果与结论有： ①建立了煤岩体水力压裂渗流—损伤耦合数学模型，该模型采用统计方法来表征煤岩体参数的非均匀性，涉及了渗流场和应力场的耦合作用，内含弹—脆性、弹性软化和弹性弱化3种损伤本构，考虑了损伤的演化过程及其对渗透率等物理参数的影响；提出了该数学模型的耦合迭代求解算法，并利用Matlab软件进行有限元编程实现了数值求解，通过与商业软件计算结果及理论解析解的比较，验证了该数学模型及其数值解法的正确性；系统研究了煤岩体的非均匀性、初始地应力场和钻孔孔径对水压裂缝起裂、扩展的影响，研究了预先水力割缝导向压裂法和多孔控制压裂法的水压裂缝控制机制及影响因素，研究结果为现场水力压裂参数设计及控制压裂提供了理论依据。 ②从水力压裂驱赶瓦斯效应、改变瓦斯流态和影响瓦斯吸附解吸特性三方面研究了煤岩体水力压裂对瓦斯运移的影响。提出了煤岩体水力压裂与瓦斯抽采统一数学模型，并应用于压裂后的瓦斯抽采数值模拟，研究压裂后的瓦斯运移规律；数值计算结果表明，损伤单元的煤体瓦斯压力降低明显，说明水压裂缝处的煤体透气性得到改善，形成了新的“更宽阔、通畅”的瓦斯运移通道，显著提高了瓦斯抽采效果。研究结果对现场压裂钻孔和瓦斯抽采钻孔布置优化具有指导意义。 ③基于煤岩体变形模型、水压裂缝面内流体压降模型和水压裂缝扩展模型，建立了低渗透煤岩体水力压裂单一裂缝扩展数学模型，提出了该数学模型的数值求解算法，并利用APDL二次开发语言实现了数值求解。确定了注入压力、煤岩体弹性模量、初始地应力场以及压裂液黏度对水力压裂单一裂缝扩展的影响规律。研究结果为现场水力压裂施工作业参数选择提供理论指导。 ④基于煤体注水难易程度的6个判别指标，构建了煤岩体水力压裂后注水难易程度的Fisher判别模型和可拓判别模型。工程实例判别结果表明，2种方法的判别结果与工程勘察分类、模糊聚类法和神经网络法的结果一致或更好，实现了压裂后煤体注水难易程度的科学评价和分类，为水力压裂后进一步采取静压注水措施的可行性判断提供了参考依据。 ⑤基于水力压裂裂缝扩展规律及其对瓦斯的运移影响理论研究，并兼顾考虑煤矿井下施工条件和瓦斯抽采等制约因素，提出了煤岩体水力压裂技术，该技术集煤岩体增透、瓦斯驱赶、抽采与注水湿润于一体。煤岩体水力压裂现场试验结果表明，水压裂缝的扩展经历了“闭合—张开—产生新裂缝”的过程，随着压裂孔与水压裂缝前沿距离的增大，水压力沿程衰减，水压裂缝扩展所需的水压不断增大；压裂后的考察钻孔和压裂钻孔中的瓦斯浓度增加，验证了水力压裂的驱赶瓦斯效应。现场瓦斯抽采和突出预测指标结果表明，压裂钻孔的瓦斯抽采浓度和抽采纯量呈现“高—低—高”的特点；压裂影响范围内的突出危险性预测指标值均未超标，验证了煤岩体水力压裂对瓦斯运移的影响理论，即水力压裂技术可有效增大煤岩体的透气性，提高瓦斯抽采率和消除煤与瓦斯突出危险性，并具有显著的技术经济效益。