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1、豫西构造软煤穿层钻孔水力压裂 增透技术研究与应用郑州煤炭工业（集团）有限责任公司大平煤矿河 南 理 工 大 学2013年10月目 录1引言11.1选题依据11.2国内外研究现状21.3研究内容及目标31.4技术路线与创新点32研究区瓦斯地质条件分析52.1煤层煤质52.1.1煤层厚度及其变化52.1.2构造煤孔隙特征62.1.3瓦斯的吸附解吸特征72.1.4煤体的透气性系数（渗透率）102.1.5煤体的物理力学性质112.2地质构造及地应力142.2.1地质构造特征142.2.2地应力大小的计算142.2.3最大主应力方向分析182.3煤层瓦斯含量222.4煤层瓦斯流动状态243研究区水力压裂
2、工艺优化283.1水力压裂基本原理283.2压裂钻孔参数优化293.2.1压裂孔方位角293.2.2压裂孔倾角293.2.3压裂孔施工参数303.3水力压裂泵压的优化323.3.1破裂压力的计算323.3.2摩阻的计算363.4压裂液的选取393.4.1清水压裂的优缺点393.4.2清水压裂的适用性403.5压裂孔间距优化413.5.1水力压裂综合滤失系数的计算423.5.2水力压裂裂缝几何尺寸的计算433.5.3压裂孔间距的计算473.6压裂孔封孔深度的计算474水力压裂现场效果考察484.1研究区概况484.2 21121底抽巷水力压裂效果考察494.2.1压裂过程494.2.2压裂效果分
3、析504.3 21141底抽巷水力压裂效果考察574.3.1压裂过程574.3.2压裂效果分析584.3.3水力压裂施工曲线的应用654.4研究区水力冲孔效果分析664.4.1水力冲孔射流压力及摩阻的分析664.4.2水力冲孔现场效果考察694.5水力压裂与水力冲孔效果对比754.5.1 基于AHP模型的效果对比754.5.2经济效益对比785结论及展望805.1结论805.2展望801引言1.1选题依据瓦斯是矿井五大灾害之一，是煤矿安全的第一杀手。瓦斯通常能引起瓦斯燃烧、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出，其中危害最大也是最难防治的是煤与瓦斯突出。煤与瓦斯突出是煤层瓦斯、地应力和煤体的物理力学性质三者综
4、合作用的结果，其中，瓦斯压力、地应力是突出发生的动力，要防止突出的发生，减小瓦斯压力、卸压是最有效的方法，这也是防突措施的根本出发点。按照防治煤与瓦斯突出规定（2009），区域防突措施有开采保护层和预抽煤层瓦斯两类。对不具备开采保护层条件的矿井来说，主要采取预抽煤层瓦斯的方法。豫西矿区主要开采二1煤，由于其特殊的地质条件，形成了特有的“三软”不稳定煤层，大多矿井属单一煤层开采，而且煤层为全层构造煤，煤类达到类，透气性极低，透气性系数一般在0.0004720.0467m2/(MPa2.d)之间，属极难抽采煤层，常规的预抽瓦斯技术虽然能解决一定的问题，但抽采效果不理想，抽采后突出危险性仍然很高，必
5、须采取一定的卸压增透措施来提高煤层的透气性系数，进而保证较高的瓦斯抽采效率。低透气煤层的卸压增透技术主要分为两个方向。一是自煤层外卸压增透，如开采保护层等，这个技术已经发展的较成熟，有着较好的应用；对于不具备开采保护层的，在煤层内进行卸压增透，也是一种有效的方法。由于煤层瓦斯的抽采主要受煤层透气性的控制，只有改变煤层透气性才能提高抽采效率，如水力压裂、水力冲孔、水力割缝、深孔松动爆破、深孔控制爆破等，但不同的卸压增透措施有不同的适用范围及局限性，如水力冲孔适用于煤质松软（f 10 0.005可以抽采0.1100.0050.05难以抽采 0.05豫西煤田透气性系数一般在0.0004720.046
6、7 m2/ MPa2.d之间，衰减系数均在0.5d-1以上，对比表2-5可知，本区煤层瓦斯极难抽采，需采取卸压增透措施来提高瓦斯抽采率。2.1.5煤体的物理力学性质构造煤和原生结构煤对比实验表明，其弹性模量和泊松比有着非常明显的差异，构造煤弹性模量大约为原生结构煤的13左右，但泊松比却大大地高于原生结构煤。构造煤的单轴抗压强度、抗拉强度及坚固性系数值也都明显小于原生结构煤，而原生结构煤的强度也仅有泥岩的几分之一，不足砂岩和灰岩的十分之一（表2-6、表2-7）。表2-6 原生结构煤与构造煤力学参数表煤体结构类型力学参数（范围/平均值）弹性模量E/MPa泊松比抗压强度/ MPa抗拉强度/ MPa坚
7、固性系数类600064000.30.17555.130.150.2180.40.493类300022000.30.36421.830.150.1060.250.172表2-7 煤层及顶底板岩性力学强度岩性抗压强度/ MPa抗拉强度/ MPa抗剪强度/ MPa砂岩26.121.0519.39细砂岩11.980.8012.93砂质泥岩5.690.2710.90泥岩2.030.078.57块煤0.340.014.09据岩体力学有关理论，煤岩体的弹性模量对压裂后煤层的裂缝发育影响很大。煤层的顶底板与煤层的弹性模量差，一定程度上对煤层压裂过程中裂缝的高度、宽度等几何尺寸具有重要影响。当煤层与顶底板弹性模
8、量相差较大时，那么水力压裂裂缝就不会突破煤层而向上下发展，对压裂效果较好。如当顶底板岩性为中粗粒砂岩时，压裂后形成的裂缝就只能限定在煤层中而不会向上向下发展；而当煤层与顶底板弹性模量相差不大时，如煤层顶底板为泥岩、砂质泥岩时，水力压裂裂缝就会突破煤层而向上下发展，使得压裂效果受到一定的影响。同时，由裂缝宽度的计算公式知，裂缝的宽度与弹性模量成反比，弹性模量越小，裂缝的宽度越大。豫西矿区煤层顶底板普遍发育泥岩、砂质泥岩，煤层与顶底板弹性模量差距较小，使得压裂时，裂缝很容易压串煤层向顶底板发展。因此，弹性模量对水力压裂裂缝的几何尺寸有一定的控制作用。煤岩体的单轴抗压强度及抗拉强度，是煤岩体在单向受
9、力条件下破坏时的压力或拉力，其在一定程度上反映了地层破裂的难易程度。水力压裂产生裂缝要克服该处的地应力及抗拉强度，因此，煤体抗拉强度对煤体破裂压力的大小有重大影响，抗拉强度越大，煤体的破裂压力就越大。同时，煤层与顶底板的抗拉强度的差异，也对裂缝的高度有控制作用，当煤层与顶底板岩层的抗拉强度相差不大时，裂缝有可能突破顶底板而向上向下发展，一般情况下，煤层顶板最小水平主应力大于底板最小水平主应力，因此，裂缝的发展主要在顶板；当两者抗拉强度相差较大时，裂缝只能局限在煤层中发展，这样的煤岩层组合是水力压裂效果最好的。泊松比是反映在上覆岩层垂向应力作用下，煤岩层水平侧向应力大小的一个参数，也就是说，该参
10、数对水平应力的大小具有控制作用，而水平应力是计算裂缝破裂压力、裂缝的几何形态（垂直裂缝或水平裂缝）、裂缝的几何尺寸（长、宽、高）的重要参数之一。研究区大平矿煤体破坏类型属类，煤质松软，煤层顶底板中的伪顶、直接顶为泥岩、砂质泥岩，老顶为硬度较大的大占砂岩。相比来说，煤体的弹性模量、极限强度（抗拉强度、抗压强度、抗剪强度）较小，泊松比较高，裂缝在强度稍低的伪顶、直接顶中会有所扩展，但无论如何不会突破老顶大占砂岩。大平矿水力压裂区伪顶、直接顶厚度在06.5m之间，取平均厚度3m，煤层平均厚度7m（图2-6），因此，水力压裂裂缝的高度在10m左右。2.2地质构造及地应力2.2.1地质构造特征图2-7
11、大平矿区域构造纲要示意图新密矿区主体构造是北西向构造，先期（早中三叠世）受到秦岭造山带隆起由南西向北东向的强烈推挤作用，并形成构造煤，有利于构造对瓦斯的封闭作用；后两期（晚侏罗世至早白垩世、晚白垩世至第三纪）的伸展运动背景下的差异升降活动，主要表现为南西、北东两个方向的拉张，使得新密矿区成为以北西方向展布为主的一系列正断层所夹的地堑、地垒、掀斜构造。大平矿井位于新密矿区的西南部，总体形态为一轴向近东西，向东倾伏的向斜构造大冶向斜，断裂比较发育（图2-7）。大平井田受控于北东东向的大冶向斜和落差百米左右的吴庄逆断层、周山逆断层等，实际上是一个北东东向展布的挤压构造带。2.2.2地应力大小的计算地
12、应力，又称原岩应力，是在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因产生的。在一定时间和一定地区内，地壳中的应力状态是各种起源应力的总和。主要由岩体自重应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成，自重应力和构造应力是地应力的主要来源。地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。而重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。（一）主应力大小的确定地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提。地应力对矿山
13、开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以，地应力研究是当前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上许多国家均开展了地应力的测量及应用研究工作，取得了众多的成果。目前为止，地应力现场测量方法二十多种，主要分为直接法和间接法两大类，其中，直接法主要包括扁千斤顶法、刚性包体应力计、水压致裂法和声发射法等。间接法包括套孔应力解除法、局部应力解除法、松弛应变测量法和地球物理探测法等。早期的原位地应力测量一般是在岩体的表面进行，分为表面应力恢复法和表面应力解除法两种。扁千斤顶法是表面应力恢复法的代表，而中心钻孔法和平行钻孔法则为表面应力解除法的代表。岩体表面应力测量一般都在开挖
14、表面进行，只能测量岩体表面的一维或二维应力状态。而这种应力状态也受到开挖扰动影响，并非原岩应力。而且，岩体表面因开挖会受到程度不同的破坏，使它们与未受扰动的岩体的物理力学性质大不相同。同时，隧道开挖对原始应力场的扰动也是十分复杂的，不可能进行精确的分析和计算。所以，这类方法不能准确确定测点的原岩应力状态。为了克服这类方法的缺点，另一类方法是从隧道表面向岩体中打小孔，直至原岩应力区，地应力测量是在小孔中进行的。由于小孔对原岩应力状态的扰动是可以忽略不计的，这就保证了测量是在原岩应力区中进行。这类方法称为“钻孔测量法”， 目前普遍采用的应力解除法和水压致裂法，其特点见表2-8。表2-8常用地应力测
15、定方法比较测定方法特点使用范围缺点水压致裂法设备简单、操作方便、测值直观、适应性强、测定深度大测定空间范围大测得的主应力方向不确定应力解除法测定精度相对较高适用于矿山中的现有巷道和硐室测定地点局限，技术上有困难应力恢复法理论基础严密仅适用于岩体表面不能测定主应力方向，劳动量大声发射法劳动量小，在同一测点和测区可进行多次测量适用于高强度的脆性岩石适用范围有限，对于软弱疏松岩体，精度低各种测定方法各有优缺点，相比其他方法，水力压裂法虽然测定精度不高，但其优势明显，且本次卸压增透措施就是采用水力压裂方法，用此方法既能够提高瓦斯的抽采效率，又能够测定煤体处的地应力状态，可以说是一举两得。水压致裂法测地
16、应力，是70年代发展起来的能够测定地壳深部应力可靠而有效的方法。该方法无需知道煤岩体的弹性参数就可获得地层中主应力的大小。分析水力压裂过程可获得许多地层的力学信息，尤其是地应力的大小与方向。在利用储层压裂数据进行地应力分析时，可以用裂缝闭合压力给出较为准确的最小地应力数据，并根据裂缝扩展方位确定最大水平地应力方向。现场施工时，只要选择合适层位，利用低排量泵注设备、井下关闭装置和井下压力计，采用适当的施工方案，进行几个完整周期的压裂，就可提高水力压裂地应力测试和解释的精度。 图2-8 水压致裂法典型施工曲线图水力压裂过程中的破裂压力、重张压力及瞬时关井压力在压裂施工曲线图上是可以直接读出的（图2
17、-8），根据这三个参数即可求得煤体处的主应力。这三个参数意义如下：（1）破裂压力，即压力最高点，反映液柱压力克服地层的强度使其破裂，形成裂缝。（2）瞬时停泵压力。当裂缝延伸到离开井壁应力集中区，即6倍井眼半径以远时（估计以破裂点起约经历1分钟左右），进行瞬时停泵。记录下停泵时瞬时停泵压力Ps。由于此时裂缝仍张开，应与最小地应力值相平衡，即Ps =h 。此时随着停泵时间的延长，压裂液向裂缝两壁渗滤，液压下降。由于地应力的作用，裂缝将闭合。（3）重张压力。瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭合的裂缝重新张开。由于张开闭合裂缝所需的压力Pr与破裂压力Pf相比不需要克服岩石抗拉强度，因此，可以近似认为破裂层
18、抗拉强度等于这两个压力之差。计算公式如下： （2-4） 据此可以求出最大水平主应力、最小水平主应力。随着地应力测量工作的不断深入，技术的不断成熟，其精度越来越高，数据也越来越完善，得出了大量实用性数据，不少学者根据这些实测数据，经过统计分析、整理，得出了应力与埋深具有重大关系，且相关性很高。景锋、盛谦、张勇慧等通过收集中国大陆地区450 多个钻孔的地应力实测资料，建立了我国垂直应力、最大和最小水平主应力随埋深的分布关系： （2-5） （2-6） （2-7）且相关系数均在0.9以上，可信度较高。景锋等还对不同地质成因岩石地应力分布规律进行了统计分析，建立了岩浆岩、沉积岩和变质岩地应力随埋深分布的
19、散点图，并根据各自的分布规律进行了相应的回归分析。结果发现，三大类岩石的地应力分布规律存在差异，主要与岩石地质成因相关。因为煤系地层为沉积岩，故这里主要对沉积岩的统计结果进行分析，如图2-9、2-10、2-11所示。经回归分析得出，三大主应力随埋深的变化规律为： (2-8) (2-9) (2-10)根据回归的相关系数知，统计结果具有较高的可信度，可以指导沉积岩的地应力测量工作。图2-10 沉积岩最大水平主应力随埋深分布图2-9 沉积岩垂直应力随埋深分布图2-11 沉积岩最小水平主应力随埋深分布据大平矿钻孔资料，21101底抽巷附近的15A-补46钻孔孔口标高为331.59m，孔底标高为-115
20、.15m，21141底抽巷附近的15A-补47钻孔孔口标高为337.67m，孔底标高为-150.51m。由以上两个钻孔标高知，进行水力压裂的煤层埋深在450500m之间，取500m为水力压裂试验点处煤层埋深。根据公式（2-8、9、10）知，v=0.0263500=13.15MPa，H=0.024500+4.9125=16.91MPa，h=10.72MPa，三大主应力关系满足x z y，产生的裂缝为垂直裂缝，这与前人研究的结果是吻合的，说明计算结果是可信的。在无构造应力的条件下， (2-11)式中：为煤体泊松比，无量纲。大平煤矿煤质较松软，取= 0.4，因为构造应力对垂向应力无影响，故v=13.
21、15MPa,带入公式2-11得h=8.9MPa。实际上h=10.72MPa，H=16.91MPa，与实际最小主应力相差1.82MPa,与实际最大主应力相差8.01MPa，可知最小水平主应力的构造应力系数为0.204，最大水平主应力的构造应力系数为0.9。说明了大平矿在此埋深条件下，构造应力较大，这些数据为其他采区或工作面的构造条件提供了有价值的参考，也为制定防治煤与瓦斯突出措施提供了方向。2.2.3最大主应力方向分析区域构造控制矿区构造，矿区构造控制矿井构造，对矿井所在的区域构造进行分析，也就掌握了矿井的基本构造形迹。华北地区自C-P含煤地层形成以来，印支期主要受西柏利亚板块由北向南和扬子板块由南向北的推挤作用，形成了近东西向的宽缓褶皱和断裂。燕山早中期，受太平洋库拉板块俯冲碰撞作用，活动剧烈，形成了一系列北北东、北东向的大规模隆起和凹陷，并伴随剧烈的岩浆活动，如太行山隆起、贺兰山隆起、鄂尔多斯盆地坳陷、沁水盆地坳陷等。因此，华北地区煤层主要发育近东西向、北北东的褶皱和断裂及其叠加和复合构造。前人对华北地区最大主应力方向的判别进行了大量的分析研究，崔效峰等根据地震震源机制解释数据,利用格点尝试
