張嘉勇，崔 嘯，郭 達(dá)，張金海，李鳳志，許 慎

(1 華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2 開(kāi)灤(集團(tuán))有限責(zé)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(dá)2，張金海2，李鳳志2，許 慎1

(1 華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2 開(kāi)灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000)

利用靜態(tài)壓裂鉆孔，可以有效促進(jìn)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(wèn)題。針對(duì)錢家營(yíng)礦-600m 7煤層，通過(guò)數(shù)值模擬研究其靜態(tài)壓裂過(guò)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(jié)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(yīng)力強(qiáng)度；靜態(tài)壓裂孔與排放孔的最優(yōu)孔間距為6～8m。通過(guò)靜態(tài)壓裂技術(shù)可有效降低掘進(jìn)工作面排放鉆孔數(shù)量，減少施工量和作業(yè)時(shí)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(shí)質(zhì)就是利用鉆孔技術(shù)，將煤層中存在的瓦斯釋放出來(lái)，降低瓦斯壓力，消除采掘區(qū)域突出危險(xiǎn)。但對(duì)于低透性煤層瓦斯?jié)B透率低和瓦斯排放半徑小的特點(diǎn)，存在措施工程量大，工期進(jìn)度慢，嚴(yán)重制約礦井的生產(chǎn)效率[1-4]。

針對(duì)高瓦斯突出煤層煤巷掘進(jìn)過(guò)程中易發(fā)生煤與瓦斯突出、掘進(jìn)速度低等問(wèn)題，針對(duì)高瓦斯突出煤層煤巷掘進(jìn)過(guò)程中易發(fā)生煤與瓦斯突出、掘進(jìn)速度低等問(wèn)題，提出并實(shí)施大直徑鉆孔排放瓦斯消除煤與瓦斯突出技術(shù)，解決了煤與瓦斯突出問(wèn)題[5]；調(diào)整鉆孔的布置方式及開(kāi)孔角度對(duì)掘進(jìn)工作面釋放孔及兩幫鉆場(chǎng)護(hù)幫鉆孔進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將掘進(jìn)工作面抽采鉆孔由平面式抽采轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw式抽采[6]；利用液態(tài)CO2瞬間氣化過(guò)程中產(chǎn)生的能量剪斷剪切片，產(chǎn)生應(yīng)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(dá)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(yù)裂爆破等方法[7]。上述方法的應(yīng)用，提高了煤層瓦斯排放效果，但對(duì)低壓(氣流驅(qū)動(dòng)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(wèn)題，本文提出了靜態(tài)壓裂卸壓技術(shù)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(kuò)大瓦斯排放半徑，提高了瓦斯排放效果。通過(guò)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(duì)提高鉆孔排放瓦斯效率具有重要指導(dǎo)意義。

1 靜態(tài)壓裂破碎機(jī)理

利用靜態(tài)壓裂排放瓦斯是在掘進(jìn)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(jiàn)圖1。使用膨脹材料對(duì)壓裂孔進(jìn)行填裝，在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的膨脹能量及瓦斯壓力的作用下，通過(guò)控制孔導(dǎo)向及排放，使煤體破裂產(chǎn)生新裂隙和原有裂隙進(jìn)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(jìn)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(dāng)發(fā)生水化反應(yīng)時(shí)，形成固相體積倍增的結(jié)晶，從而對(duì)煤層鉆孔產(chǎn)生膨脹力，當(dāng)壓縮應(yīng)力、垂直方向的張拉應(yīng)力超過(guò)了煤體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，便使煤層產(chǎn)生裂隙及進(jìn)一步發(fā)育[16]。

靜態(tài)壓裂過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生爆炸波動(dòng)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(yīng)力場(chǎng)相互疊加，促使徑向裂隙和環(huán)向裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，大大增加裂隙區(qū)范圍。壓裂鉆孔和控制鉆孔布置見(jiàn)圖2。

1.2 煤層破碎過(guò)程

在靜態(tài)壓裂作用下，煤體的破裂過(guò)程分為三個(gè)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(kāi)始增加，對(duì)煤體產(chǎn)生徑向壓力σr和垂直的張拉應(yīng)力σθ，在應(yīng)力達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)煤體發(fā)生破裂，如圖3所示。開(kāi)始時(shí)切切向應(yīng)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(yīng)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(duì)煤體產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力和垂直拉應(yīng)力見(jiàn)式(1)。

(1)

式中，Pex為膨脹壓，MPa。

非彈性階段，應(yīng)力不斷增大，開(kāi)始對(duì)煤體進(jìn)行破壞，不斷地發(fā)展為破損區(qū)域。下面開(kāi)始分析未達(dá)到完全壓裂的應(yīng)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(jiàn)式(2)。

(2)

圖2 壓裂孔、控制孔布置圖

圖3 靜態(tài)壓裂應(yīng)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(dāng)r=b時(shí)達(dá)到應(yīng)力達(dá)到破壞臨界狀態(tài)，應(yīng)力分布見(jiàn)式(4)。

(4)

1.2.2 裂紋擴(kuò)展階段

出現(xiàn)破損區(qū)之后，煤體會(huì)產(chǎn)生許多微小裂紋。這些裂紋中的較大者擴(kuò)展開(kāi)裂。根據(jù)Griffes Fracture Criterion理論，煤體產(chǎn)生裂紋時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子(KIC)見(jiàn)式(5)。

(5)

當(dāng)a/R=1～1.4時(shí)，F(xiàn)=0.1～0.34。

式中：a為裂紋長(zhǎng)度，即孔中心至裂紋頂端的距離，m；R為孔半徑，m。

裂紋擴(kuò)展需要的膨脹壓條件，見(jiàn)式(6)。

(6)

1.2.3 開(kāi)裂階段

當(dāng)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(qiáng)瓦斯排放效果，達(dá)到瓦斯治理的目的。

2 鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shù)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(duì)瓦斯排放率的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)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(jìn)度。

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

采用靜態(tài)壓裂技術(shù)可有效增大鉆孔瓦斯排放半徑，但由于反應(yīng)過(guò)程相對(duì)復(fù)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(guò)大，膨脹材料反應(yīng)生成的裂隙難以貫穿，影響瓦斯排放；若孔距過(guò)小，增加工程量，膨脹能釋放過(guò)高。所以通過(guò)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(jìn)行數(shù)值模擬研究，采用對(duì)二維空間中的煤體進(jìn)行鉆孔和靜態(tài)壓裂模擬出應(yīng)力分布情況，根據(jù)錢家營(yíng)礦-600 m 7煤層現(xiàn)實(shí)情況相對(duì)接近的分析最優(yōu)布控位置。為確定靜態(tài)壓裂過(guò)程中煤體應(yīng)力變化及裂隙發(fā)育狀態(tài)，基于控制孔的導(dǎo)向作用，分析壓裂鉆孔與控制鉆孔的最優(yōu)孔距，對(duì)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(jìn)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(jiàn)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(zhǎng)×寬=1 m×1 m，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在壓裂鉆孔圓心處，鉆孔直徑為100 mm，見(jiàn)圖5(a)。多孔模型尺寸為長(zhǎng)×寬=80 m×50 m，分3個(gè)控制鉆孔，長(zhǎng)70 m，孔徑200 mm；2個(gè)壓裂鉆孔，長(zhǎng)70 m，孔徑100 mm，見(jiàn)圖5(b)。

圖5 物理模型圖(單位:m)

2.3 結(jié)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(qiáng)的膨脹應(yīng)力60 MPa，當(dāng)煤體被完全壓裂時(shí)其破損區(qū)域見(jiàn)圖6。當(dāng)靜態(tài)壓裂反應(yīng)完成時(shí)，其作用半徑達(dá)到最大，達(dá)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(yīng)力壓裂煤體，從而形成完全破損區(qū)。隨著應(yīng)力的遞減，其強(qiáng)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(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算2～10 m不同鉆孔間距的靜態(tài)壓裂效果時(shí)，設(shè)定5個(gè)平行鉆孔，其中控制鉆孔3個(gè)，孔徑為200 mm；壓裂鉆孔2個(gè)，孔徑為100 mm。對(duì)不同壓裂-控制鉆孔間距壓裂效果進(jìn)行數(shù)值模擬，選擇對(duì)具有代表性的4 m、6 m、8 m、10 m鉆孔間距進(jìn)行分析，壓裂鉆孔在靜態(tài)壓裂過(guò)程中對(duì)煤體和控制孔的應(yīng)力和位移對(duì)比圖，見(jiàn)圖7。

圖7 壓裂孔、控制孔不同孔距的應(yīng)力圖

圖7中紅色區(qū)域代表靜態(tài)壓裂強(qiáng)度達(dá)到60 MPa時(shí)，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(shí)，煤體應(yīng)變明顯，對(duì)控制孔破壞效果較大，由此推斷靜態(tài)壓裂強(qiáng)度過(guò)高，會(huì)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(duì)周圍控制孔影響較小，表明對(duì)煤體產(chǎn)生卸壓效果，有利于瓦斯排放。圖7(d)中，當(dāng)鉆孔間距較大時(shí)，靜態(tài)壓裂難以形成整體裂隙區(qū)，對(duì)煤體作用效果不明顯。

圖8記錄了在不同孔距時(shí)，靜態(tài)壓裂過(guò)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(guò)小時(shí)，會(huì)造成控制孔變形阻塞；孔距過(guò)大時(shí)，鉆孔間不易產(chǎn)生貫穿裂隙，二者均不利于瓦斯排放。為實(shí)現(xiàn)控制鉆孔起到導(dǎo)向和排放瓦斯的目的，靜態(tài)壓裂的影響范圍應(yīng)控制在控制鉆孔和壓裂鉆孔之間。通過(guò)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(shí)對(duì)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(shí)現(xiàn)瓦斯排放效果，根據(jù)以上模擬分析，計(jì)算得出錢家營(yíng)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(jié) 論

通過(guò)數(shù)值模擬分析了靜態(tài)壓裂對(duì)瓦斯排放鉆孔的影響，得出以下結(jié)論。

1)通過(guò)靜態(tài)壓裂鉆孔可有效擴(kuò)大瓦斯排放半徑，提高瓦斯排放效率。

2)靜態(tài)壓裂過(guò)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(yīng)力強(qiáng)度；確定錢家營(yíng)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(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)、噪音、粉塵和有毒氣體，具有安全性高，易操作，成本低的特點(diǎn)?？捎行Эs短低透氣性煤層的瓦斯排放時(shí)間，降低工程費(fèi)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51374089)；河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：E2016209249)

張嘉勇(1977-)，男，漢族，河南南陽(yáng)人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榈V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?yàn)榈V井瓦斯防治，E-mail：497078671@qq.com。

TD822

A

1004-4051(2017)03-0098-05