水力壓裂周圍煤層應力變化試驗研究*

韓 飛，孫 亮

(1.山西馬堡煤業有限公司，山西 長治 046300；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

0 引言

隨著我國煤礦產量增大，越來越多的煤礦將步入深部開采，深部區域的煤層地應力和瓦斯壓力卻很高，透氣性很差，致使礦井瓦斯抽采率低、鉆孔施工量大，嚴重影響礦井銜接和安全生產，因此高瓦斯低透氣性工作面的瓦斯高效抽采利用已成為關鍵性的技術難題[1-2]，而卸壓增透是解決此問題的最佳途徑[3-4]。

目前井下常用的卸壓增透技術有水力化措施[5]、開采保護層[6]、深孔預裂爆破[7]及液態CO2相變致裂爆破[8]。我國科研人員針對此難題開展了大量的試驗研究。何福勝等[9]通過在山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦18205材料巷開展水力壓裂試驗，結果表明當水壓升高至16 MPa時有效影響半徑達到7 m，壓裂影響范圍內煤層的透氣性系數提升14倍，瓦斯抽采濃度提高4.43倍，抽采純量提升9.62倍，抽采效果顯著提高。許江等[10]通過多場藕合煤層氣開采物理模擬試驗系統，發現水力壓裂全過程包括4個階段，即應力積累階段、微破裂發育階段、裂縫失穩擴展階段、破裂后階段；壓裂過程中水壓力場的演化跟裂縫的發育、擴展有著密切的聯系，水力壓裂裂縫主要沿最大主應力方向擴展。石欣雨等[11]采用原煤試樣開展煤巖水力壓裂物理模擬實驗及煤巖裂縫檢測實驗，發現對于井下厚儲層，通過“分段—分壓”壓裂方式來構造橫縱交織的裂縫網，可以顯著提高瓦斯的抽采效率，同時避免在含較多縱向原生裂縫及較大斷層的井壁位置布置射流孔，防止引起煤儲層頂底板失穩破壞，造成安全事故。吳擁政等[12]在余吾煤業公司S1206煤柱留巷瓦排巷開展試驗，壓裂結果證明，采用定向水力壓裂能有效消除或減弱堅硬頂板形成的懸頂效應，切斷護巷煤柱上部堅硬厚頂板，將懸臂區自然冒落，減小煤柱和實體煤載荷，破壞應力轉移和分配比例，提高留巷受力狀態，留巷變形顯著變小。

借助建設相似物理試驗模型，開展三維相似模擬試驗。依據試驗結果，揭示煤層水力壓裂時裂隙裂紋發育擴展和注水壓力、煤體應力的變化規律[13]，根據現場試驗情況分析壓裂效果，為井下煤層卸壓增透、強化瓦斯抽采奠定基礎。

1 礦井概況

山西晉能集團長治公司馬堡煤礦8208綜采工作面位于井田8號煤層二采區，井下標高+864～+942 m，最大垂深480 m。走向長度為680 m(可采推進長度648 m)，傾向長度為180～223 m，面積為121 543 m2。工作面東側為8206工作面采空區，西側、南側為實體煤，北側為采區三條下山。地面為山脈覆蓋，無村莊和公路等，地面標高為+1 225～+1 440 m。

8208綜采工作面回采的煤層厚度穩定，全區可采。屬太原組上部7#煤層之下，距7#煤層5.38～6.31 m，平均5.97 m，煤層厚度2.1 m，含0～1層夾矸，結構簡單，可采性指數Km=1，變異系數為6%，屬全區穩定可采之煤層。煤質為特低灰-高灰、中高硫、特高熱值之焦煤。煤層頂底板情況見表1。

表1 8208工作面煤層頂底板情況

2 相似模擬試驗裝置

2.1 裝置概況

實驗箱體：設計長方體試驗箱體，材料選用厚度為10 mm的Q345鋼板焊接而成，容積大小(長×寬×高)為500 mm×500 mm×600 mm。

加載系統：液壓千斤頂和返力架組成試驗力學加載系統。液壓千斤頂的量程為100 MPa，液壓缸的最大頂力為10 t；返力架選用厚度為10 mm的鋼板制作而成，周圍采用4根直徑為300 mm的螺桿支撐，其所能承受最大壓強為2 MPa。試驗時給加載0.245 MPa載荷，相當于上部500 m巖層自重。

實驗水泵：試驗用的水泵型號是JZ16-4.0/20，具體參數見表2。

表2 試驗用的水泵參數

2.2 相似材料的制作

選擇時間相似比St=30，容重相似比Sγ=1.38，幾何相似比Sl=30，應力相似比Sσ=138的材料制作模型，具體參數見表3。通過千斤頂在模型上方施以載荷，來模擬上覆巖層應力，參考試驗箱體的尺寸，模擬現場煤巖體的尺寸(長×寬×高)為15 m×15 m×18 m。

表3 試驗煤層相似材料參數

2.3 監測監控系統

為了更加準確的統計記錄壓裂過程中煤層頂底板的應力變化情況，以壓裂孔為核心，分別在頂底板每間隔不同的半徑設置一個微型土壓力盒，接著把應力盒數據線連接到YE2539高速靜態應變儀上。具體設置方案如圖1所示：在煤層底板中壓裂孔的正下方布置C001的壓力盒，然后每間隔圓心2.5 cm設置C002、C003、C004、C005壓力盒。在煤層頂板中分別間距壓裂孔5 cm和10 cm布置C006和C007壓力盒。

a-頂板壓力盒布置；b-底板壓力盒布置圖1 頂底板壓力盒布置

3 試驗結果

3.1 注水壓力

為研究壓裂時注水壓力的升高情況，共開展兩次試驗：①在模型上方未添加地應力開展壓裂試驗；②在模型上方添加0.245 MPa地應力開展壓裂試驗。通過研究分析在地應力不等時，注水壓力與時間的變化規律，以得到壓裂過程中裂隙的發育規律。

a-模型上方未施加地應力；b-模型上方施加0.245 MPa地應力圖2 注水壓力的變化規律

根據注水壓力的升高情況，可將壓裂過程注水壓力大致劃分成3個階段，即應力積累階段、裂隙起裂階段和裂隙擴展階段，如圖2所示。如果地應力對壓裂過程不產生影響，那么注水壓力升高速度較快。當時間達到70 s時，原始裂隙開始起裂發育；當達到250 s，注水壓力開始減小，裂隙開始破裂擴展延伸；當時間到550 s時，注水壓力第2次減小直至趨于平穩，這時裂隙擴展延伸達到最佳狀態。為了模擬在工況條件下注水壓力與時間的變化情況，在模型上方添加0.245 MPa壓力，當時間到130 s時，原始裂隙開始發育；當時間到400 s時，壓力開始減少，裂隙開始破裂擴展；當時間到900 s時，壓力再次減小，裂隙再次延伸擴展；當時間到1 500 s時，壓力減小到最小開始保持平穩，此時裂隙發育最好，破裂程度達到最大。試驗結果證明：不存在地應力時，注水壓力升高的更快。地應力阻礙注水壓力的增長和煤體破裂的速度，當地應力越大時，注水壓力升高與煤體破裂的速度就越慢。

3.2 煤層應力

如圖3所示，壓裂前預先頂底板設置各測點的微型土壓力盒，通過壓力盒監測應力與時間的變化情況，由圖3可發現，水力壓裂時壓裂孔周圍的應力開始轉移并開始重新分布。具體如下：

壓力盒C001號布置在壓裂孔的正下方，壓裂開始后，壓力盒C001號應力值逐漸變大，在260 s時突然升高，達到最大，之后應力值趨于平穩。證明在壓裂開始后260 s時，煤層產生裂隙，吻合于注水壓力和時間的變化規律。

壓力盒C007號與C005號均布置在距壓裂孔100 mm的地方，壓力盒C005號與C007號分別安設在煤層底板和煤層頂板上。在壓裂開始后兩個壓力盒所測應力值顯著增加，之后開始緩慢趨于平穩，且最終值高于其他應力盒。原因是壓裂開始后高壓水破裂壓裂孔周圍的煤體，打破了應力平衡，將煤體的應力向遠處轉移，導致在壓裂孔較遠處的應力值增大。

壓力盒C002號、C003號、C004號的設置在距離壓裂孔75 mm處，其應力值在整個壓裂環節中降低幅度較小。證明該壓力盒的位置受到壓裂的影響，應力值減小產生卸壓區。因此利用水力壓裂增透后，煤層的透氣性會得到顯著增加。

依據各應力盒的實測數據，由遠及近可將壓裂孔附近煤體分為卸壓區、集中應力區和原巖應力區，壓裂后煤體的應力分布如圖4所示。

圖3 壓力盒所測應力與時間的變化規律

根據試驗結果得到水力壓裂的卸壓范圍是在距離注水孔75 mm區域，煤層注水后，高壓水驅動地應力，將煤體應力轉移至深部區域，煤體的應力變化與注水壓力變化基本吻合。

Ⅰ-卸壓區；Ⅱ-集中應力區；Ⅲ-原巖應力區圖4 壓裂后煤層應力分布情況

3.3 裂隙擴展規律

壓裂完成后，通過剖開煤層斷面，研究裂隙發育情況、水的運移軌跡。壓裂后水的運移軌跡及裂隙發育情況如圖5所示。

從圖5中發現，通過向水中加入滑石粉，水運移到的范圍會留下明顯的白色痕跡，試驗完成后壓裂孔附近留下顯著的裂隙。通過對比圖5(a)和圖5(c)得到，深度不同的煤層切面被滑石粉染色的程度明顯不同，距壓裂孔越近，出水孔處被染色的程度越顯著。因此得出水的運移軌跡是以壓裂孔出水處為核心，不斷向外擴展。從圖5(b)和圖5(d)得到，注水后壓裂孔周圍產生明顯的裂隙，裂隙以壓裂孔為中心不斷向外運移，距注水孔越近，裂隙發育越完全。根據染色程度的不同，將裂隙區域分為3個等級：在40 mm區域內染色程度最明顯，40～65 mm次之，65～80 mm染色程度最差。

3.4 現場實踐

試驗地點選擇在18205工作面切眼以內200 m，試驗結果發現：注水孔卸壓區是75 mm范圍，通過計算實際卸壓區的半徑為2.25 m。注水孔布置如圖6所示：18205工作面本煤層鉆孔間距為8 m，在兩個鉆孔間再施工兩個注水孔，注水孔間距為4 m，注水孔與抽采孔相距2 m。抽采孔和注水孔的施工參數：注水孔孔長為50 m，抽采孔孔長為90 m，鉆孔直徑為113 mm，開孔高度為1.5 m。正常抽采鉆孔布置如圖6(a)所示，壓裂注水抽采如圖6(b)所示。

a-正常抽采鉆孔布置；b-壓裂注水抽采圖6 注水孔布置示意圖

通過分析壓裂后的瓦斯抽采效果來合理改變注水孔的布置方案。注水孔位置優化后，本煤層抽采鉆孔瓦斯的抽采濃度和流量顯著增大，優化后瓦斯濃度保持在60%以上，比正常壓裂時增加20%；抽采流量保持在0.04 m3/min，比正常壓裂提高40%，具體如圖7所示。試驗結果顯著改善了瓦斯抽采效率，確保工作面安全高效回采，同時未額外提高壓裂費用，取得了良好的經濟效益。

a-瓦斯抽采濃度對比；b-瓦斯抽采流量對比圖7 采效果分析

4 結論

(1)根據水力壓裂過程中注水壓力的變化情況推斷周圍煤體的破裂過程，當注水壓力降低時，煤體的原生裂隙發生破裂；當注水壓力趨于穩定時，煤體的裂隙破裂達到最大。注水壓力的升高和煤體破裂的速度與地應力大小有直接關系，當地應力升高時，注水壓力的升高與煤體破裂的速度開始減小。依據注水壓力變化情況，壓裂過程包括應力積累階段、裂隙起裂階段和裂隙擴展延伸階段。

(2)煤體的應力與注水壓力同步發生變化，距注水孔75 mm范圍是水力壓裂的卸壓區域，注入高壓水后，煤體應力轉移到深部區域，應力集中區是在距離壓裂孔100 mm的頂底板。

(3)壓裂結束后，通過觀察分析水的運移軌跡，發現距注水孔越近的區域煤體染色程度越顯著，由此得出裂隙是在注水孔周邊裂隙發育良好，以其為中心源源不斷向外運移、延伸。通過判別注水孔周圍煤體顏色變化情況，得到裂隙發育最好的范圍是以注水孔為中心的40 mm半徑區域內。

(4)通過分析試驗結果，將水力壓裂技術應用于馬堡煤礦8208工作面切眼以內200 m。通過對比優化前、后的鉆孔抽采瓦斯效果。應用結果表明：優化后的瓦斯抽采效果遠遠好于常規致裂的瓦斯抽采效果，瓦斯濃度同比常規壓裂提高了20%；鉆孔抽采流量同比常規壓裂提高了40%，有效地消除了回采初期工作面存在的瓦斯隱患。