基于靜態(tài)壓裂的瓦斯排放鉆孔間距的數(shù)值模擬

張嘉勇，崔 嘯，郭 達，張金海，李鳳志，許 慎

(1 華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009；2 開灤(集團)有限責任公司，河北 唐山 063000)

基于靜態(tài)壓裂的瓦斯排放鉆孔間距的數(shù)值模擬

張嘉勇1，2，崔 嘯1，郭 達2，張金海2，李鳳志2，許 慎1

(1 華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009；2 開灤(集團)有限責任公司，河北 唐山 063000)

利用靜態(tài)壓裂鉆孔，可以有效促進孔壁周圍煤體裂隙發(fā)育，解決低透氣性煤層瓦斯排放效率低、工程量大的問題。針對錢家營礦-600m 7煤層，通過數(shù)值模擬研究其靜態(tài)壓裂過程中煤體破裂范圍，確定了最優(yōu)的瓦斯排放鉆孔間距。研究結果表明：靜態(tài)壓裂影響范圍分為破損區(qū)和彈性區(qū)，其中破損區(qū)范圍約為壓裂孔直徑的2倍，而彈性區(qū)的形成主要決定因素為應力強度；靜態(tài)壓裂孔與排放孔的最優(yōu)孔間距為6～8m。通過靜態(tài)壓裂技術可有效降低掘進工作面排放鉆孔數(shù)量，減少施工量和作業(yè)時間，提高瓦斯排放效率。

優(yōu)化鉆孔卸壓；靜態(tài)壓裂；鉆孔間距；數(shù)值模擬

鉆孔排放瓦斯是防治煤與瓦斯突出的主要措施之一，其實質(zhì)就是利用鉆孔技術，將煤層中存在的瓦斯釋放出來，降低瓦斯壓力，消除采掘區(qū)域突出危險。但對于低透性煤層瓦斯?jié)B透率低和瓦斯排放半徑小的特點，存在措施工程量大，工期進度慢，嚴重制約礦井的生產(chǎn)效率[1-4]。

針對高瓦斯突出煤層煤巷掘進過程中易發(fā)生煤與瓦斯突出、掘進速度低等問題，針對高瓦斯突出煤層煤巷掘進過程中易發(fā)生煤與瓦斯突出、掘進速度低等問題，提出并實施大直徑鉆孔排放瓦斯消除煤與瓦斯突出技術，解決了煤與瓦斯突出問題[5]；調(diào)整鉆孔的布置方式及開孔角度對掘進工作面釋放孔及兩幫鉆場護幫鉆孔進行了優(yōu)化設計，將掘進工作面抽采鉆孔由平面式抽采轉變?yōu)榱Ⅲw式抽采[6]；利用液態(tài)CO2瞬間氣化過程中產(chǎn)生的能量剪斷剪切片，產(chǎn)生應力波及高壓氣體，使周圍煤體產(chǎn)生裂隙，以提高煤層滲透率，達到防治煤與瓦斯突出的目的。除以上方法，還有密集鉆孔、交叉鉆孔、水力壓裂、水力沖孔、水力割縫、預裂爆破等方法[7]。上述方法的應用，提高了煤層瓦斯排放效果，但對低壓(氣流驅動力低)，低滲透性(排放鉆孔范圍小)，低飽和的煤層瓦斯排放效果并不明顯[8-12]。

根據(jù)以上問題，本文提出了靜態(tài)壓裂卸壓技術壓裂煤層，與相鄰的控制孔形成貫穿裂隙，形成以壓裂孔為中心相互連通的裂隙網(wǎng)，擴大瓦斯排放半徑，提高了瓦斯排放效果。通過不同孔距靜態(tài)壓裂規(guī)律的數(shù)值模擬分析，得到裂隙發(fā)育半徑和最優(yōu)排放孔距，對提高鉆孔排放瓦斯效率具有重要指導意義。

1 靜態(tài)壓裂破碎機理

利用靜態(tài)壓裂排放瓦斯是在掘進工作面每隔一定距離，平行布置合理數(shù)量的控制鉆孔和壓裂鉆孔布孔，見圖1。使用膨脹材料對壓裂孔進行填裝，在反應過程中產(chǎn)生的膨脹能量及瓦斯壓力的作用下，通過控制孔導向及排放，使煤體破裂產(chǎn)生新裂隙和原有裂隙進一步發(fā)育，增加煤層透氣性，提高瓦斯排放效率[13-15]。

圖1 掘進工作面鉆孔布置示意圖

1.1 靜態(tài)壓裂原理

靜態(tài)壓裂材料屬于水泥類的膨脹凝膠材料，當發(fā)生水化反應時，形成固相體積倍增的結晶，從而對煤層鉆孔產(chǎn)生膨脹力，當壓縮應力、垂直方向的張拉應力超過了煤體的抗拉強度時，便使煤層產(chǎn)生裂隙及進一步發(fā)育[16]。

靜態(tài)壓裂過程不會產(chǎn)生爆炸波動和氣體，能量緩慢釋放，壓裂煤體，壓裂孔和控制鉆孔之間產(chǎn)生貫穿裂隙，形成以壓裂孔為中心的裂隙網(wǎng)。在靜態(tài)壓裂作用周期內(nèi)，形成反射拉伸波和徑向裂隙尖端處的應力場相互疊加，促使徑向裂隙和環(huán)向裂隙進一步擴展，大大增加裂隙區(qū)范圍。壓裂鉆孔和控制鉆孔布置見圖2。

1.2 煤層破碎過程

在靜態(tài)壓裂作用下，煤體的破裂過程分為三個階段[16]。

1.2.1 微裂階段

靜態(tài)壓裂在煤體鉆孔中產(chǎn)生的膨脹能開始增加，對煤體產(chǎn)生徑向壓力σr和垂直的張拉應力σθ，在應力達到臨界狀態(tài)時煤體發(fā)生破裂，如圖3所示。開始時切切向應力σθ作用產(chǎn)生的微裂區(qū)域，稱為損傷區(qū)，而這一階段稱為微裂階段。前一階段應力為彈性階段，后一段為非線性彈性階段。

彈性階段壓裂鉆孔周邊對煤體產(chǎn)生徑向壓應力和垂直拉應力見式(1)。

(1)

式中，Pex為膨脹壓，MPa。

非彈性階段，應力不斷增大，開始對煤體進行破壞，不斷地發(fā)展為破損區(qū)域。下面開始分析未達到完全壓裂的應力分析情況。如圖4所示，R≤r≤C為破損區(qū)，C≤r≤b為彈性區(qū)。

平衡方程見式(2)。

(2)

圖2 壓裂孔、控制孔布置圖

圖3 靜態(tài)壓裂應力圖

圖4 填充區(qū)、破損區(qū)和彈性區(qū)

(3)

在彈性區(qū)域C≤r≤b，當r=b時達到應力達到破壞臨界狀態(tài)，應力分布見式(4)。

(4)

1.2.2 裂紋擴展階段

出現(xiàn)破損區(qū)之后，煤體會產(chǎn)生許多微小裂紋。這些裂紋中的較大者擴展開裂。根據(jù)Griffes Fracture Criterion理論，煤體產(chǎn)生裂紋時的應力強度因子(KIC)見式(5)。

(5)

當a/R=1～1.4時，F(xiàn)=0.1～0.34。

式中：a為裂紋長度，即孔中心至裂紋頂端的距離，m；R為孔半徑，m。

裂紋擴展需要的膨脹壓條件，見式(6)。

(6)

1.2.3 開裂階段

當工作面各壓裂孔發(fā)育完全，使之裂紋相互連接，煤層產(chǎn)生較大裂隙，從而增強瓦斯排放效果，達到瓦斯治理的目的。

2 鉆孔優(yōu)化設計數(shù)值模擬

2.1 基本特征

鉆孔排放煤層瓦斯和靜態(tài)壓裂技術基本特征如下所述。

1)一般鉆孔排放煤層瓦斯，鉆孔直徑75～300 mm，鉆孔間距為2～3 m，封孔深度5 m。

2)鉆孔間距對瓦斯排放率的影響遠遠大于鉆孔直徑的影響，在排放條件相同的情況下，排放瓦斯時間愈短，則需要更小的鉆孔間距。但這樣需要大大地增加鉆孔工作量，影響工期進度。

3)靜態(tài)壓裂的膨脹壓最高可達60 MPa，鉆孔直徑60～100 mm，壓裂過程具有過程無震動無噪音無有毒有害氣體的特征。

采用靜態(tài)壓裂技術可有效增大鉆孔瓦斯排放半徑，但由于反應過程相對復雜，壓裂孔與控制孔孔徑及孔距決定著瓦斯排放效果。若孔距過大，膨脹材料反應生成的裂隙難以貫穿，影響瓦斯排放；若孔距過小，增加工程量，膨脹能釋放過高。所以通過數(shù)值模擬確定鉆孔間距，可以作為一種有效的研究方法。

2.2 幾何模型與煤層參數(shù)

本文使用基于Comsol Multiphysics系統(tǒng)進行數(shù)值模擬研究，采用對二維空間中的煤體進行鉆孔和靜態(tài)壓裂模擬出應力分布情況，根據(jù)錢家營礦-600 m 7煤層現(xiàn)實情況相對接近的分析最優(yōu)布控位置。為確定靜態(tài)壓裂過程中煤體應力變化及裂隙發(fā)育狀態(tài)，基于控制孔的導向作用，分析壓裂鉆孔與控制鉆孔的最優(yōu)孔距，對單孔破碎范圍和不同鉆孔間距的壓裂-控制鉆孔多孔破損范圍進行數(shù)值模擬。本文數(shù)值模擬煤層的物理性質(zhì)參數(shù)及靜態(tài)破碎劑性能參數(shù)見表1、表2。

表1 煤層物理性質(zhì)參數(shù)

表2 靜態(tài)破碎劑性能參數(shù)

單孔模型尺寸為長×寬=1 m×1 m，坐標原點設置在壓裂鉆孔圓心處，鉆孔直徑為100 mm，見圖5(a)。多孔模型尺寸為長×寬=80 m×50 m，分3個控制鉆孔，長70 m，孔徑200 mm；2個壓裂鉆孔，長70 m，孔徑100 mm，見圖5(b)。

圖5 物理模型圖(單位:m)

2.3 結果分析

2.3.1 靜態(tài)壓裂破損區(qū)域確定

煤體作為靜態(tài)壓裂作用的介質(zhì)，根據(jù)產(chǎn)生最強的膨脹應力60 MPa，當煤體被完全壓裂時其破損區(qū)域見圖6。當靜態(tài)壓裂反應完成時，其作用半徑達到最大，達到壓裂孔半徑的2倍左右。在此區(qū)域內(nèi)，靜態(tài)破碎劑產(chǎn)生的膨脹應力壓裂煤體，從而形成完全破損區(qū)。隨著應力的遞減，其強度逐漸減小，形成彈性區(qū)。

圖6 靜態(tài)壓裂破損范圍

2.3.2 不同鉆孔間距的計算結果及分析

計算2～10 m不同鉆孔間距的靜態(tài)壓裂效果時，設定5個平行鉆孔，其中控制鉆孔3個，孔徑為200 mm；壓裂鉆孔2個，孔徑為100 mm。對不同壓裂-控制鉆孔間距壓裂效果進行數(shù)值模擬，選擇對具有代表性的4 m、6 m、8 m、10 m鉆孔間距進行分析，壓裂鉆孔在靜態(tài)壓裂過程中對煤體和控制孔的應力和位移對比圖，見圖7。

圖7 壓裂孔、控制孔不同孔距的應力圖

圖7中紅色區(qū)域代表靜態(tài)壓裂強度達到60 MPa時，出現(xiàn)的破損區(qū)域?？刂瓶椎男巫冸S孔距的增大而減小，在圖7(a)中，孔距4 m時，煤體應變明顯，對控制孔破壞效果較大，由此推斷靜態(tài)壓裂強度過高，會造成煤體粉碎和控制孔的阻塞，不利于瓦斯排放。在圖7(b)和圖7(c)中，壓裂孔呈弧形，煤體發(fā)生破碎及形變，但對周圍控制孔影響較小，表明對煤體產(chǎn)生卸壓效果，有利于瓦斯排放。圖7(d)中，當鉆孔間距較大時，靜態(tài)壓裂難以形成整體裂隙區(qū)，對煤體作用效果不明顯。

圖8記錄了在不同孔距時，靜態(tài)壓裂過程中控制鉆孔產(chǎn)生的形變量。隨著孔距的增大形變量逐漸減小，孔距過小時，會造成控制孔變形阻塞；孔距過大時，鉆孔間不易產(chǎn)生貫穿裂隙，二者均不利于瓦斯排放。為實現(xiàn)控制鉆孔起到導向和排放瓦斯的目的，靜態(tài)壓裂的影響范圍應控制在控制鉆孔和壓裂鉆孔之間。通過靜態(tài)壓裂和鉆孔卸壓后的數(shù)值模擬，可以表明鉆孔孔距為6～8 m時對煤層卸壓作用效果比較適宜。

圖8 不同孔距控制鉆孔形變圖

為有效實現(xiàn)瓦斯排放效果，根據(jù)以上模擬分析，計算得出錢家營礦-600 m 7煤層控制孔與壓裂孔最優(yōu)鉆孔間距為6～8 m。

3 結 論

通過數(shù)值模擬分析了靜態(tài)壓裂對瓦斯排放鉆孔的影響，得出以下結論。

1)通過靜態(tài)壓裂鉆孔可有效擴大瓦斯排放半徑，提高瓦斯排放效率。

2)靜態(tài)壓裂過程產(chǎn)生的作用區(qū)域分為破損區(qū)和彈性區(qū)。破損區(qū)范圍約為壓裂鉆孔半徑的2倍，而彈性區(qū)的形成主要決定因素為應力強度；確定錢家營礦-600 m 7煤層靜態(tài)壓裂的最優(yōu)鉆孔間距為6～8m。

3)壓裂過程中不會產(chǎn)生震動、噪音、粉塵和有毒氣體，具有安全性高，易操作，成本低的特點。可有效縮短低透氣性煤層的瓦斯排放時間，降低工程費用。

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Numerical simulation of spacing of gas drainage boreholes based on static fracturing

ZHANG Jiayong1，2，CUI Xiao1，GUO Da2，ZHANG Jinhai2，LI Fengzhi2，XU Shen1

( 1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；2.Kailuan (Group) Corporation Ltd.，Tangshan 063000，China)

The use of static fracturing can effectively promote coal seam fracture development around the hole wall could solve the low efficiency of gas drainage in the low penetrability coal seam and the problem of huge construction quantities.Through numerical simulation of static fracturing process of coal rupture range，the authors determine the optimal gas drainage borehole spacing in -600m 7thcoal seam of Qianjiaying mine.The results show that the influence scope of static blasting is the damage area and the elastic area；the damage area is about 2 times the diameter of the blasting hole，and stress intensity is a major determinant of the range of elasticity，finally the authors get the optimal hole spacing between the static fracturing hole and the discharge hole which is 6～8m；by the static fracturing technology，it can effectively reduce the number of drilling holes，reduce the amount of construction and operation time，and improve the efficiency of gas drainage.

borehole pressure relief；static blasting；drilling interval；numerical modeling

2016-08-12

國家自然科學基金項目資助(編號：51374089)；河北省自然科學基金項目資助(編號：E2016209249)

張嘉勇(1977-)，男，漢族，河南南陽人，博士，副教授，主要研究方向為礦井瓦斯防治，E-mail：zjy815@163.com。

崔嘯(1992-)，男，漢族，河北秦皇島人，碩士研究生，主要研究方向為礦井瓦斯防治，E-mail：497078671@qq.com。

TD822

A

1004-4051(2017)03-0098-05