壓裂液腐蝕效應(yīng)下煤體力學(xué)損傷規(guī)律及增透效果研究

王 寧，李樹剛

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710100；3.陜西煤業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

煤礦瓦斯災(zāi)害作為礦井五大災(zāi)害之一，一直制約著礦井的安全生產(chǎn)。新中國(guó)成立以來，我國(guó)煤礦共發(fā)生百人以上事故24起、死亡3 782人。其中，瓦斯(煤塵)事故22起、死亡3 548人，分別占全國(guó)煤礦事故起數(shù)和死亡人數(shù)的91.7%、93.8%。事實(shí)上，瓦斯可防可控可治。防止煤礦瓦斯事故的核心是把共生于煤層中的瓦斯抽出來并加以控制，只要做到先抽氣后采煤，就不會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸事故，煤炭安全生產(chǎn)就有了保障。這樣的思維邏輯促成“瓦斯是可以抽出和控制的，事故是可以預(yù)防和避免的”“煤與瓦斯共采[1-4]”“先抽后采煤氣共采”，“治理與利用并重[5-6]”等先進(jìn)理念應(yīng)運(yùn)而生。

腐蝕壓裂是在傳統(tǒng)水力壓裂的基礎(chǔ)上用酸性溶液替代普通水壓裂液的技術(shù)應(yīng)用，能有效補(bǔ)充普通水力壓裂的不足。酸性腐蝕技術(shù)最先出現(xiàn)在19世紀(jì)中期，當(dāng)時(shí)第一次應(yīng)用于油氣井，將預(yù)先制好的酸液注入到地層中，將堵塞物溶解掉，從而提高地層孔隙和裂隙的滲透性，最終達(dá)到增產(chǎn)的效果。在天然煤層中含有少量的碳酸鹽和硅酸鹽類礦物，特別是煤層裂隙中往往充斥有部分礦物，酸化處理就是利用含有鹽酸和氫氟酸的復(fù)合溶液，使其溶解煤層中的碳酸鹽和硅酸鹽類的礦物，從而增大孔隙、裂隙，達(dá)到提高煤層滲透性的效果[7-10]。首次工業(yè)性煤層酸化腐蝕實(shí)驗(yàn)是莫斯科礦業(yè)學(xué)院為卡拉甘達(dá)礦區(qū)的抽采煤層瓦斯作業(yè)中的應(yīng)用，該應(yīng)用通過水力壓裂鉆孔往作業(yè)煤層中注入商用鹽酸，結(jié)果處理后煤層瓦斯抽采效果明顯改善[11-12]。這種結(jié)合物理和化學(xué)2方面的處理技術(shù)，可以有效地在煤中產(chǎn)生豐富的裂隙網(wǎng)絡(luò)。

鑒于目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于表面活性劑協(xié)同各種酸液煤體的研究報(bào)道還很少，為此，擬采用表面活性劑協(xié)同酸液的腐蝕煤體技術(shù)改進(jìn)一種高效的煤層壓裂技術(shù)。在結(jié)合傳統(tǒng)水力壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用腐蝕性壓裂液增強(qiáng)壓裂液在煤體中的破壞效果，揭示腐蝕煤體力學(xué)變化特性，并將基于壓裂液腐蝕的煤體增透技術(shù)在煤礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用，考察達(dá)到煤層增透及瓦斯抽采效果。

1 腐蝕煤體力學(xué)特性試驗(yàn)

1.1 煤樣的制備及基本參數(shù)測(cè)定

煤樣選用陜煤黃陵二號(hào)煤礦原樣，屬低灰、低硫、中揮發(fā)分，高發(fā)熱量的富油一號(hào)肥氣煤和二號(hào)弱黏結(jié)煤。為了避免煤樣的差異導(dǎo)致額外因素，所有煤樣都在同一塊煤中選取且圓柱的軸向線平行于割理面方向。為了便于單軸壓縮、核磁共振以及掃描電鏡試驗(yàn)的使用，因此標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣嚴(yán)格依據(jù)GB 474—2008《煤樣制備方法》進(jìn)行，制取直徑50 mm，高度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，煤樣采集、試件加工與試驗(yàn)遵照《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》GB/T 23561—2009的規(guī)定執(zhí)行，并參照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)編制的《巖石力學(xué)試驗(yàn)建議方法》，煤樣工業(yè)分析結(jié)果見表1。

表1 黃陵二號(hào)煤樣工業(yè)分析Table 1 Proximate analysis of Huangling No.2 coal sample

由工業(yè)分析結(jié)果可以看出，無論是單組分鹽酸HCl溶液、復(fù)合組分HCl/HF(鹽酸/氫氧酸)溶液或是添加SDS的復(fù)合溶液進(jìn)行處理后，都會(huì)使其灰分降低，但是 可以看出，經(jīng)過含有 SDS 的復(fù)合溶液處理的煤樣中灰分較其他幾組大幅度降低，說明SDS促進(jìn)了復(fù)合酸液對(duì)灰分的處理，灰分的顯著降低主要是SDS促進(jìn)了酸性溶液對(duì)煤中無機(jī)礦物的腐蝕效果。揮發(fā)分、固定碳含量較其他幾組增加明顯，同時(shí)增加了C元素的相對(duì)含量。隨著酸液組分的增多，煤中礦物成分含量逐漸降低，尤其是經(jīng)過SDS協(xié)同酸化處理的3號(hào)煤樣，其中灰分含量?jī)H有1.85。

試驗(yàn)所取煤樣均取自于現(xiàn)場(chǎng)不規(guī)則煤塊，通過實(shí)驗(yàn)室加工制成規(guī)程所要求的標(biāo)準(zhǔn)試塊。先將現(xiàn)場(chǎng)所取煤樣放在鉆孔取樣機(jī)上鉆取出直徑為50 mm的圓柱體，再根據(jù)試驗(yàn)要求用切割機(jī)切成100 mm長(zhǎng)的圓柱塊，最后用磨平機(jī)將試塊端面磨平，研磨時(shí)要求試件兩端面不平行度不得大于0.01 cm，上、下端直徑的偏差不得大于0.02 cm，直至達(dá)到規(guī)程所要求的標(biāo)準(zhǔn)為止。試驗(yàn)煤樣制備所用設(shè)備及加工過程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)煤樣制備Fig.1 Preparation of experimental standard coal samples

1.2 腐蝕溶液的制備

在酸化壓裂液體系內(nèi)，鹽酸和氫氟酸是公認(rèn)對(duì)煤體內(nèi)無機(jī)礦物雜質(zhì)具有良好效果的壓裂液，鹽酸能與煤樣中的碳酸鹽礦物發(fā)生反應(yīng)，而氫氟酸對(duì)鋁硅酸鹽礦物的去除效果很好，而黃陵二號(hào)煤礦經(jīng)工業(yè)分析可知其內(nèi)部碳酸鹽和硅酸鹽礦物含量較高，因此將鹽酸和氫氟酸混合可以有效去除煤樣孔隙內(nèi)的礦物雜質(zhì)，便于后續(xù)單軸壓縮試驗(yàn)更直觀的腐蝕效果。此外，為了增加腐蝕效果，加快酸化壓裂液進(jìn)入煤體內(nèi)孔隙裂隙的速度，提高酸化壓裂液在工程實(shí)踐中增加煤層滲透率的效率，選擇了陰離子表面活性劑作為輔助試劑。綜合以上原因，選擇鹽酸、氫氟酸(HF)和十二烷基磺酸鈉作為處理液。

在煤層中加入鹽酸和氫氟酸的復(fù)合溶液，通過酸化腐蝕破壞煤的孔隙結(jié)構(gòu)，提高煤層的滲透性。為了提高腐蝕損傷效果，加入陰離子表面活性劑——十二烷基磺酸鈉協(xié)同腐蝕，實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有濃鹽酸，氫氟酸，陰離子表面活性劑——十二烷基磺酸鈉，蒸餾水。分別制備3組溶液：?jiǎn)我蝗芤篈(5%HCI)、腐蝕溶液B(5%HCI/5%HF)、腐蝕溶液C(5%HCI/5%HF/SDS)，由于氫氟酸具有極強(qiáng)腐蝕性且能腐蝕含硅物質(zhì)，故將制備好的酸性溶液采用特氟龍惰性塑料瓶?jī)?chǔ)存。在這里使用5%HCl+5%HF的配置主要有3點(diǎn)原因：① 處于經(jīng)濟(jì)性和安全性的考慮，過高濃度的酸液在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)有排驅(qū)困難的問題，污染環(huán)境且會(huì)增加腐蝕壓裂的成本。② 并非越高濃度的酸液腐蝕效果越好，煤樣中含有大量鋁硅酸鹽礦物，其中的鋁元素與酸液不是簡(jiǎn)單的一次反應(yīng)，后續(xù)還有二次、三次反應(yīng)，濃度過高在后續(xù)反應(yīng)中容易形成AlF3等沉淀堵塞孔。③ 當(dāng)HF超過5%時(shí)，其會(huì)與石英等反應(yīng)快的礦物過度溶解，破壞煤體碳骨架影響后續(xù)單軸壓縮的測(cè)算。

1.3 腐蝕煤體單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)

挑選了內(nèi)部裂隙形態(tài)類似且孔隙度相近的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)煤樣，分別置于含有蒸餾水、單一溶液A、腐蝕溶液B和腐蝕溶液C的4個(gè)特氟龍塑料瓶中，編號(hào)0、1、2、3號(hào)，如圖2所示。反應(yīng)8 h后，用干燥吸水紙將煤樣表面酸液吸干。

圖2 壓裂液酸浸試驗(yàn)Fig.2 Acid leaching experiment of fracturing fluid

為研究不同處理?xiàng)l件下，尤其是腐蝕酸液C對(duì)煤體力學(xué)結(jié)構(gòu)特性的影響，進(jìn)行了單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器采用的單軸力學(xué)試驗(yàn)儀器為型號(hào)為RLJW-2000的微機(jī)控制巖石三軸、剪切蠕變?cè)囼?yàn)裝置，最大軸向壓力2 000 kN，最大圍壓50 MPa，儀器測(cè)力精度±1%，變形測(cè)量精度±0.5%，連續(xù)工作時(shí)間大于1 000 h。儀器控制精度高、反應(yīng)速度快、可靠性好，能夠?qū)γ后w應(yīng)力試驗(yàn)進(jìn)行精確控制。該設(shè)備可對(duì)材料試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并記錄可測(cè)試試樣在單軸壓縮過程中的應(yīng)力應(yīng)變變化。將相關(guān)樣品試驗(yàn)過程中，調(diào)整試樣與墊塊的位置，在墊塊與試樣接觸表面之間涂抹凡士林，以減少端面效應(yīng)。加載采用位移控制，加載速率為0.25 mm/min。煤樣所受的力載荷和應(yīng)變數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄并計(jì)算，得出應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)。圖3為力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備壓裂過程及破壞后煤樣形態(tài)，圖中P為壓力。

圖3 力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備及破壞試樣Fig.3 Mechanical experimental equipment and failure samples

2 腐蝕煤體單軸壓縮過程損傷

由于煤巖體中含有不同的層理、節(jié)理及大小不一的孔洞和裂隙，使得煤巖的比表面積遠(yuǎn)大于相同條件下的巖塊，因此毛細(xì)管作用突出，在毛細(xì)管效應(yīng)影響下，腐蝕壓裂液會(huì)逐漸侵入煤巖內(nèi)部的孔裂隙中，使得煤巖分子間的范德華力等分子間作用力削弱。同時(shí)，在成煤階段一部分無機(jī)礦物和黏土成分會(huì)填充在煤巖孔裂隙中，黏土成分遇水溶液會(huì)產(chǎn)生脹大現(xiàn)象，而無機(jī)鹽礦物則會(huì)與腐蝕壓裂液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如圖4中腐蝕處理后煤樣內(nèi)部礦物形態(tài)圖4b 可以看到，煤中方解石、白云石等礦物在腐蝕反應(yīng)后生成的白色沉淀產(chǎn)物如CaCl2等，還看到含有三價(jià)鐵離子水溶液留下的黃褐色痕跡，同時(shí)大部分產(chǎn)物會(huì)隨水溶液排出，這樣都會(huì)造成煤巖孔裂隙結(jié)構(gòu)損傷，使得煤強(qiáng)度降低。

圖4 單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)Fig.4 Uniaxial compression mechanics experiment

圖4a為經(jīng)典原煤樣試件的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞煤樣的形態(tài)。通常情況下煤巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線主要分為4個(gè)階段，同巖石細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)一樣，根據(jù)試驗(yàn)煤樣單軸壓縮下的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律，煤樣破壞過程同樣分為4個(gè)階段[13-14]：

1)裂隙閉合階段(Ⅰ)：對(duì)應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的OA段，載荷由0逐步加載，該過程中，煤樣內(nèi)部的微裂隙受載荷的作用逐漸被壓密，該段曲線呈現(xiàn)向上凹的形態(tài)，表明孔、裂隙的閉合現(xiàn)象逐漸減弱。

2)彈性變形階段：AB段(Ⅱ)，該段曲線符合胡克定律，煤樣試件內(nèi)裂隙繼續(xù)壓實(shí)，且不斷產(chǎn)生微破裂以及在粒內(nèi)或粒間產(chǎn)生滑移，該段變形時(shí)煤樣的結(jié)構(gòu)性質(zhì)并沒有發(fā)生明顯變化。

3)裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段(Ⅲ)：在應(yīng)力達(dá)到一定程度，進(jìn)入到裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展BC段，裂隙開始產(chǎn)生，煤樣結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯改變，煤樣外觀及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，該段試樣變形是不可逆的。當(dāng)煤樣承受不了所加的負(fù)載時(shí)，煤樣試件完全破壞，所達(dá)到煤樣破壞的峰值應(yīng)力稱為單軸抗壓強(qiáng)度；

4)裂紋加速擴(kuò)展階段(Ⅳ)：第Ⅳ階段是峰后破壞階段，隨著位移的增加軸向應(yīng)力迅速降低，最終殘余應(yīng)力穩(wěn)定在峰值強(qiáng)度的27.71%，說明破壞后煤樣依然具有一定承受負(fù)載能力。

整個(gè)煤樣試件的破壞并不是瞬間的，而是一個(gè)漸進(jìn)破壞的過程。在BC階段，煤樣內(nèi)部裂隙擴(kuò)張，這是由于煤樣內(nèi)部無規(guī)則分布的微裂紋應(yīng)力集中造成的。實(shí)際上最終破壞并不是出現(xiàn)在峰值處，而是在超過峰值后的曲線上。

經(jīng)過不同處理?xiàng)l件后的煤樣，其力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變。圖5為經(jīng)過3種不同組分的腐蝕壓裂液浸泡后煤樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，與未處理的原煤樣相比，腐蝕處理后煤樣在破壞過程中彈性階段開始時(shí)所受最大應(yīng)力的百分比變小，這與內(nèi)部侵蝕出的孔裂隙有一定的關(guān)系，由于孔隙中雜質(zhì)礦物的脫除，使得在壓實(shí)階段所承受的應(yīng)力減小，導(dǎo)致進(jìn)入彈性階段所需的應(yīng)力也相應(yīng)降低。除此，最大的區(qū)別在于達(dá)到峰值應(yīng)力后的煤樣破壞階段，在經(jīng)過腐蝕處理后煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線的第Ⅳ階段均出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力突降以及應(yīng)力增加的現(xiàn)象，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因與煤樣內(nèi)部新產(chǎn)生的破壞有關(guān)，腐蝕壓裂液深入煤巖內(nèi)部的孔洞和裂隙中，與其中的黏土礦物和無機(jī)鹽礦物等雜質(zhì)礦物反應(yīng)，造成煤巖孔洞和裂隙的破壞[15-18]，導(dǎo)致煤樣內(nèi)部出現(xiàn)了不貫通裂隙，在煤樣壓縮達(dá)到峰值破壞后，繼續(xù)施加載荷的力作用于閉合煤樣內(nèi)部新出現(xiàn)的不貫通裂隙，在不貫通裂隙完全閉合時(shí)，會(huì)使煤樣產(chǎn)生二次承壓的能力，從而出現(xiàn)應(yīng)力再次增大的現(xiàn)象。其中圖5a、圖5b也出現(xiàn)應(yīng)力驟降和增加的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象受到人為因素和試驗(yàn)變量的雙重影響。利用酸化試樣在進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)，試樣在達(dá)到應(yīng)力峰值后并沒有像原煤樣一樣整體破壞，而是出現(xiàn)細(xì)微裂隙進(jìn)行泄壓，泄壓的同時(shí)壓頭和試樣之間仍然保持接觸，并仍然能夠承壓。在這樣的情況下并沒有立刻停止試驗(yàn)，因此出現(xiàn)了第2甚至第3個(gè)應(yīng)力峰值。

圖5 3種不同組分的腐蝕壓裂液浸泡后煤樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Uniaxial compressive stress-strain curves of coal samples soaked in three different compositions of corrosive fracturing fluids

同時(shí)，在經(jīng)過腐蝕處理后，煤樣破壞過程中進(jìn)入裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展的第Ⅲ階段所受的應(yīng)力值變小，第III階段的應(yīng)力峰值表現(xiàn)了試樣所能承受的最大應(yīng)力，是煤層壓裂增透工程中重要的指標(biāo)。無論是單一酸、復(fù)合酸，或在復(fù)合酸基礎(chǔ)上添加表面活性劑，其對(duì)煤體內(nèi)無機(jī)礦物的溶蝕效果是遞增的，分布在煤體內(nèi)的大量固體被溶蝕的同時(shí)必然會(huì)對(duì)試樣的力學(xué)特征產(chǎn)生影響。其結(jié)果就是，隨著溶蝕效果的增強(qiáng)，其可承受的最大應(yīng)力便隨之降低[19-20]。煤樣強(qiáng)度降低，4組煤樣的峰值應(yīng)力情況為9.63 MPa>9.23 MPa>8.99 MPa>8.55 MPa，即煤樣強(qiáng)度0號(hào)>1號(hào)>2號(hào)>3號(hào)，可以看出，經(jīng)過SDS協(xié)同腐蝕處理后煤樣強(qiáng)度最低，煤樣產(chǎn)生裂隙所受的應(yīng)力值最低，表明SDS對(duì)腐蝕效果破壞煤體結(jié)構(gòu)具有積極作用。

3 腐蝕壓裂技術(shù)工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

以上兩節(jié)研究了復(fù)合壓裂液腐蝕煤樣孔裂隙結(jié)構(gòu)損傷特征及力學(xué)特征，并對(duì)表面活性劑協(xié)同復(fù)合壓裂液腐蝕壓裂的不同效果進(jìn)行了對(duì)比研究。復(fù)合壓裂液腐蝕技術(shù)研究的目的就是為了理清復(fù)合壓裂液壓裂煤體過程特性，從而進(jìn)行煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)性應(yīng)用，解決煤礦瓦斯治理的問題，同時(shí)提高煤層氣的抽采效率。通過表面活性劑協(xié)同復(fù)合腐蝕壓裂液針對(duì)陜西黃陵二號(hào)礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。

陰離子表面活性劑-十二烷基硫酸鈉協(xié)同腐蝕煤體卸壓增透效果的影響，主要結(jié)論如下：4種不同處理?xiàng)l件下的煤樣孔隙度均增大，由SDS增大了腐蝕壓裂液與煤樣孔裂隙中雜質(zhì)礦物的反應(yīng)面積，從而增HCI/HF對(duì)煤樣的腐蝕作用，使得2號(hào)處理下煤樣孔隙度增加最大。在腐蝕溶液侵蝕煤樣后，煤樣表面孔隙特征發(fā)生了很大的變化，具有一定的酸化侵蝕作用形成的破壞程度，且SDS增效后的酸化侵蝕破壞程度最高。

腐蝕壓裂技術(shù)工業(yè)性試驗(yàn)選擇在陜煤黃陵二號(hào)煤礦418工作面進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行。根據(jù)巷道實(shí)際布置情況，設(shè)計(jì)腐蝕壓裂方案，通過腐蝕壓裂，增大煤體透氣性，提高瓦斯抽采效果。

根據(jù)巷道實(shí)際情況，設(shè)計(jì)2組腐蝕壓裂孔和水力壓裂對(duì)比孔(每組10個(gè)鉆孔)。第1組按照礦上原有設(shè)計(jì)水力壓裂導(dǎo)向孔與壓裂孔間距6 m，第2組設(shè)計(jì)腐蝕導(dǎo)向孔與壓裂孔間距11 m。腐蝕壓裂孔與水力壓裂孔布置如圖6所示。

圖6 鉆孔布置Fig.6 Drilling layout

采用?94 mm的鉆頭，垂直巷幫施工鉆孔，腐蝕壓裂孔與導(dǎo)向孔參數(shù)見表2。

表2 腐蝕壓裂孔與導(dǎo)向孔參數(shù)Table 2 Parameters of corrosion fracturing holes and pilot holes

3.2 腐蝕壓裂瓦斯抽采效果考察

腐蝕壓裂工業(yè)性試驗(yàn)在418回風(fēng)巷實(shí)施，過程安全制定了《418回風(fēng)巷腐蝕壓裂工業(yè)性試驗(yàn)安全措施》，本次試驗(yàn)布置10個(gè)腐蝕壓裂孔，每個(gè)壓裂孔配備兩組導(dǎo)向孔。封孔采用傳統(tǒng)兩堵一注的封孔技術(shù)措施，封孔過程順利。腐蝕壓裂采用5%鹽酸、5%氫氟酸和SDS陰離子表面活性劑配置而成，單孔壓裂時(shí)間的約110 min，峰值壓力達(dá)到12 MPa，在此期間共完成20個(gè)壓裂孔，壓裂過程順利。

由2組腐蝕壓裂孔(Y1～Y5)和水力壓裂孔(SY1～SY5)對(duì)比孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)生成對(duì)比曲線，如圖7和圖8所示。

圖7 腐蝕壓裂孔與水力壓裂孔抽采濃度對(duì)比Fig.7 Comparison of drainage concentration between corrosion fracturing and hydraulic fracturing holes

為了更好地分析腐蝕壓裂孔與水力壓裂孔的效果對(duì)比，選取2組鉆孔中的若干鉆孔的瓦斯純流量進(jìn)行對(duì)比分析，如圖8所示(圖中數(shù)據(jù)曲線為2組鉆孔平均值的擬合曲線，具有代表性)。

圖8 腐蝕壓裂孔與水力壓裂孔抽采流量對(duì)比Fig.8 Comparison of drainage flow between corrosion fracturing and hydraulic fracturing holes

通過圖7和圖8的瓦斯抽采濃度和流量對(duì)比圖可以得出，腐蝕壓裂煤層增透效果較為明顯，同普通水力壓裂孔對(duì)比，酸化腐蝕壓裂孔維持在高濃度、高流量的時(shí)間長(zhǎng)，衰減得慢。觀察記錄腐蝕壓裂孔抽采60 d，壓裂影響區(qū)域?qū)蚩淄咚钩椴审w積分?jǐn)?shù)最高達(dá)到76%；普通水力壓裂孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)最高66%，與平均瓦斯?jié)舛认啾龋毫雁@孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高了8%，腐蝕壓裂孔瓦斯純量平均最高為0.077 8 m3/min，水力壓裂孔為0.043 2 m3/min，平均純量提高了0.034 6 m3/min，且鉆孔間距從6 m擴(kuò)大到11 m，節(jié)約了煤礦瓦斯治理成本。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)基于壓裂液腐蝕的試驗(yàn)煤樣單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律，煤樣破壞過程同樣分為4個(gè)階段：裂隙閉合階段、彈性變形階段、裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段及裂紋加速擴(kuò)展階段。

2)腐蝕壓裂液深入煤巖內(nèi)部的孔洞和裂隙中，與其中的黏土礦物和無機(jī)鹽礦物等雜質(zhì)礦物反應(yīng)，造成煤巖孔洞和裂隙的破壞，導(dǎo)致煤樣內(nèi)部出現(xiàn)了不貫通裂隙，在經(jīng)過腐蝕處理后，煤樣破壞過程中進(jìn)入裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段所受的應(yīng)力變小，煤樣強(qiáng)度降低，4組煤樣的峰值應(yīng)力由大到小順序?yàn)?.63、9.23、8.99、8.55 MPa，經(jīng)過SDS協(xié)同腐蝕處理后煤樣強(qiáng)度最低，煤樣產(chǎn)生裂隙所受的應(yīng)力最低，表明SDS對(duì)腐蝕效果破壞煤體結(jié)構(gòu)具有積極作用。

3)同普通水力壓裂孔對(duì)比，酸化腐蝕壓裂孔維持在高濃度、高流量的時(shí)間長(zhǎng)，衰減得慢。壓裂影響區(qū)域?qū)蚩淄咚钩椴审w積分?jǐn)?shù)最高達(dá)到76%；與平均瓦斯?jié)舛认啾?，水力壓裂鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高了8%，平均純量提高了0.034 6 m3/min，鉆孔間距從6 m擴(kuò)大到11 m，節(jié)約了煤礦瓦斯治理成本。