余吾煤業(yè)豎井水力壓裂煤層增透技術應用基礎研究.pdf

1、礦井瓦斯既是安全生產(chǎn)的主要隱患,又是一種高效清潔能源，瓦斯治理一直是各個煤炭企業(yè)和科研院所的研究重點。瓦斯抽采方法發(fā)展愈加成熟，煤層瓦斯抽采效果的優(yōu)劣主要取決于兩點，一是內部或外部提供瓦斯分子掙脫煤體基質吸附所需要的能量，二是利用外部力學作用促進煤體裂隙發(fā)育，與原生裂隙形成發(fā)育的裂隙網(wǎng)絡，為瓦斯運移提供流通通道?；谶@兩點，比較可行的技術就是水力壓裂，其原理是將壓裂液注入煤體，并保證壓裂液流動速率大于煤層濾失速率、壓力大于最小弱面撕裂所

2、需應力，且用石英砂等支撐劑持續(xù)支撐裂隙通道，保證裂隙網(wǎng)絡的持續(xù)發(fā)育。本課題所研究的地面豎井壓裂技術更強化了這種增透效果，地面鉆井壓裂和水力壓裂相互配合，不僅可以采前卸壓增透、提高煤層滲透性能、防治工作面沖擊地壓，而且在采中抽采、采后采空區(qū)瓦斯抽采中都起到很好效果，從而達到一井三用、綜合利用的目的。本課題基于潞安集團余吾煤業(yè)有限公司 S2107豎井水力壓裂工程實踐，結合相關理論研究、數(shù)值模擬、實驗室驗證等手段，進行基于豎井水力壓裂的瓦斯抽

3、采技術應用基礎研究，具體研究工作包括以下幾個方面：
　?。?）分析地面鉆井的破壞類型，分析地表移動盆地主斷面的移動變化規(guī)律。對產(chǎn)氣效果影響最大的剪切破壞重點研究，從水平位移角度和巖層應力角度解釋井身的“S”形變形機理。從水平移動角度分析，井身上下巖層水平移動的啟動時間、速率變化速度、水平位移最大量的不同是“S”形井身形成的根本原因。從應力角度分析，建立井身剪切破壞的網(wǎng)絡梁模型，讓地層中復雜的力學分析歸于簡單的巖梁結構分析，根據(jù)隨機

4、介質和概率積分法原理，分析層交面處鉆井破壞機理，給出鉆井微段的位移方程式，分析了界面上下巖層的厚度、彈性模量、強度對層交面水平滑移的影響。利用數(shù)值模擬軟件Midas對“S”形井身形成過程進行了模擬，并對層交面上下巖層厚度、彈性模量對水平位移的影響進行了模擬，模擬結果和理論結果一致。最后對鉆井穩(wěn)定性進行初步分析，并給出套筒加固措施。
　?。?）分析豎井水力壓裂增透的機理。對水力壓裂的起裂和擴展機理進行分析，當起裂總應力大于起裂弱面處

5、的抗拉強度時開始起裂，起裂方向和地應力大小有關。定性分析了壓裂水在煤層中的運移特征。水力壓裂使瓦斯運移通道充分發(fā)育，并改變瓦斯流態(tài)的趨勢，對瓦斯運移表現(xiàn)為正效應。當流體的流態(tài)為非線性非達西流時，壓裂液中水分可以增加瓦斯流動的啟動壓力梯度、抑制瓦斯解吸、占據(jù)瓦斯分子擴散通道，對瓦斯運移表現(xiàn)出負效應。
　?。?）利用電液伺服三軸瓦斯?jié)B流試驗裝置研究了不同含水率煤樣在應力環(huán)境下的滲流規(guī)律。不同含水率煤樣在變圍壓條件下滲透率和滲流速度的變

6、化規(guī)律都呈非線性遞減，與二次多項式有較高的擬合度。其中低含水率煤樣（<1％）的下降趨勢隨著煤體含水率的增加，與負冪函數(shù)表示也有較高的擬合度，表現(xiàn)為k=aσ2-b，其中a、b為擬合系數(shù)。隨著有效應力的增大，煤樣的滲透率和滲流速度具有非線性遞減的趨勢，變化趨勢與二次函數(shù)有較高的擬合度，擬合曲線方程為y=aX2+bX+C，其中a、b、c為擬合系數(shù)。增加相同有效應力情況下，低含水率煤樣的滲透率和滲流速度的下降幅度較大，即低含水率煤樣滲透率對有效

7、應力的敏感性較高。滲透率隨含水率呈非線性遞減趨勢，且遞減速度逐漸降低，總體與二次函數(shù)具有較高的擬合度。驗證了煤體中水分對瓦斯運移的負效應。
　?。?）對余吾煤業(yè)S2107工作面進行豎井水力壓裂工程實踐，給出水力壓裂設計和施工方案，給出豎井水力壓裂效果評估方案，通過井下壓裂區(qū)和未壓裂區(qū)順層鉆孔抽采數(shù)據(jù)，分析豎井水力壓裂增透效果。
　?。?）對余吾煤業(yè)S2107工作面豎井水力壓裂效果進行評估，以期為余吾煤業(yè)其他工作面壓裂施工提供

8、標準化方案。分析壓裂區(qū)1-52、1-54范圍和未壓裂區(qū)范圍內鉆孔的單孔瓦斯流量，分析表明在1-52影響范圍內的鉆孔抽采速率比未壓裂區(qū)顯著提高，最大提高7.3倍，最小提高3.7倍。1-54壓裂影響區(qū)域中，距離1-54壓裂井87m和42m的測點抽采效果沒有明顯改變，其他測點抽采效果明顯，最大提高9.2倍，最小提高2倍。余吾煤業(yè)S2107工作面總體壓裂效果明顯。通過分析整個觀測期間單孔瓦斯流量隨延伸距離的變化情況，判斷在整個50天觀測期間兩個