煤层掘进工作面超高压定点水力压裂防冲机理研究

黄俊锐 王 博 黄广伟

(北京科技大学土木与环境工程学院)

煤层掘进工作面超高压定点水力压裂防冲机理研究

黄俊锐 王 博 黄广伟

(北京科技大学土木与环境工程学院)

针对煤层掘进或回采过程中发生的冲击危险，提出了一种新的卸压防冲措施——超高压定点水力压裂技术。理论研究认为，水力压裂防冲是压裂与注水软化煤层、压裂降能、压裂引起应力转移与应力均化共同作用的结果；压裂降能与压裂注水能显著降低煤层破坏时单位时间内释放的能量，从而降低冲击危险程度；注水软化、应力转移与应力均化是一个相对缓慢的过程，实际应用过程中应提前安排施工时间。华丰煤矿现场试验的成功，表明超高压定点水力压裂能起到预防冲击危险的作用。

水力压裂降能 应力转移 应力均化 冲击地压

1738年英国南斯塔福煤田发生了世界上首次有记录的冲击地压，该事故是当今煤矿矿井中的重大灾害之一[1]。我国多煤少油缺气的能源现状决定了煤炭作为主要能源的局面将长期存在。随着煤矿开采规模的不断增大、开采深度不断增加，我国目前已成为世界上冲击地压最为严重的国家之一[2-4]。截至2012年底，全国已有142个煤矿发生冲击地压[5-6]，每年由于冲击地压灾害造成大量的设备损坏、人员伤亡等事件，导致重大经济损失。在所有发生的冲击地压中，大部分发生在巷道，回采工作面则相对较少，在有些情况下，冲击地压同时发生在巷道和回采工作面。因此，做好掘进过程中的卸压防冲工作意义重大。

经过长时间的探索，现阶段全世界在煤矿冲击地压理论研究与实际治理措施等方面都取得了不错的成果。常用手段为煤层大直径钻孔卸压、爆破卸压、煤层注水等[7-9]。其中煤层注水预防冲击地压的方法简单易行、防治费用低、适用性广，已成为我国煤矿预防冲击地压的主要措施之一。我国虽然在治理冲击地压方面取得了不错的成果，但是针对煤层掘进过程的防冲措施却相对较少，因此本文提出采用超高压定点水力压裂技术，对煤层掘进工作面进行预防冲击地压机理的初步研究，为煤层掘进工作面超高压水力压裂预防冲击地压工艺参数选择提供指导和依据，更有效地预防掘进过程中的冲击地压，避免灾害的发生，实现掘进前对冲击危险区的卸压解危处理。

1 煤层压裂与油气压裂的区别

煤层掘进工作面超高压定点水力压裂技术是指通过在工作面前方预先打好的钻孔内，采用后退式分段定点压裂方法(如图1所示)，将前方煤体分割为较小的煤块，达到预防冲击危险的目的。其压裂过程与传统石油、页岩气的压裂存在较大差异，主要表现为：①压裂介质，煤层压裂主要发生在由顶底板和煤层所构成的不均匀层状介质中，而油气压裂则大多发生在致密砂岩中；②压裂范围,煤层与顶底板三者组成的相对独立的压裂结构，决定了煤层压裂过程大多发生在煤层内，裂隙很难从煤层扩展到顶底板，而油气压裂则通常能达到几百米的范围甚至更远；③压裂孔布置方式,直接将压裂孔布置在需要压裂的煤层内，大多呈水平方向，而油气开采主要采用竖井压裂；④起裂压力,煤层自身属性以及围岩应力条件与油气压裂环境的区别,决定了煤层的起裂压力为20～35 MPa，而油气起裂压力通常在50 MPa 以上或者更高。

图1 定点水力压裂过程

2 压裂防冲机理

2.1 压裂注水作用

(1)压裂作用。岩石力学研究表明，岩体单轴抗压强度与单位体积内存在的裂隙数成反比，裂隙越多，岩体强度越低。因此，当煤体被压裂以后，其单轴抗压强度会明显降低。根据现阶段煤层冲击倾向性的划分认为[10]，单轴抗压强度σc>16 MPa为强冲击倾向性煤层，单轴抗压强度σc<16 MPa为弱冲击倾向性煤层。因此，压裂能明显降低煤层冲击倾向性等级。

(2)注水作用。根据煤层在不同含水率下反映出不同性质的实验室测定结果、现场试验结果显示，注水对煤体性质的主要改变为：降低煤体单轴抗压强度σc、煤层内聚力c、内摩擦角φ、冲击能量指数Ke、弹性能量指数Wet，增加煤体塑性，增长煤体动态破坏时间DT。一般认为在煤层初始含水状态下使煤层含水率增加1%～2%时效果最为显著，通常能使煤层的冲击类型降低一个等级。假设在发生冲击危险时，煤体释放的总能量等于煤体破坏前所积聚的所有能量U，而能量释放时间等于煤体动态破坏时间DT，则单位时间内释放出的能量：

(1)

从式(1)可看出，注水后的煤层在单位时间内释放出的能量减少，即使发生冲击灾害，可能也不会出现抛出煤体的情况，危害程度明显减小。

2.2 压裂降能

根据弹性力学可知，处于三向应力状态下体积为V的煤体弹性应变能：

(2)

式中，σ1、σ2、σ3分别为煤体受到的3个方向主应力；μ为煤体泊松比;E为煤体弹性模量。

由式(2)可知，在实际应力条件一定的情况下，煤体聚集的弹性能与煤体块度呈正相关。压裂前煤层的完整性较好，只存在较少的原始裂隙，煤块体积较大，易于集聚较大的能量，煤层被压裂成煤块后，能够集聚能量的煤块体积相比于煤层有很大程度的减小，即：

Umax=max(U1,U2,…,UB,…,Un)=UB

(3)

综合压裂与注水共同作用结果，将式(3)带入式(1)，则有：

(4)

从式(4)可看出，压裂与注水共同作用，使得煤层在发生破坏时单位时间内释放出的能量相比压裂注水前大大降低，同时由于裂隙以及水的存在，导致相邻裂隙面在较小的应力作用下产生变形甚至滑移，将能量消耗在煤层塑性变形过程中，基本不存在能够引发冲击危险的能量。煤层压裂前后对比见图2。

图2 煤层压裂前后对比

2.3 应力转移与应力均化

在煤层开采巷道后，巷道围岩必然出现应力重新分布，产生应力集中现象，应力的升高是导致发生冲击危险的主要原因。一般巷道两侧的应力集中系数为2～3，有时则可能达到4～5，甚至更大。巷道两侧煤壁能够提供的侧向压应力几乎为零，当距离巷道较近的位置发生集中应力时，巷道在内部压力作用下可能出现破坏。解决该问题的主要方法就是通过卸压，让应力转移到远离巷道的位置，而压裂注水则能起到这方面的作用。

煤体未压裂注水以前，巷道周围煤体承受应力能力较强，应力集中区与巷道距离为L1，注水压裂后，煤体强度降低，支撑能力减弱，应力集中区与巷道距离为L2。如图3所示。

图3 巷道两侧应力转移模型

根据巷道周围应力极限平衡条件，得

(5)

式中,m为采高;f为煤层与顶底板间的摩擦因素;φ为内摩擦角;N0为煤体支撑能力;σy为垂直应力。

煤层内摩擦角φ受水的作用而不断减小，M值变大；煤体支撑能力N0随压裂注水过程而不断降低，L值变大。即应力集中区域随压裂注水的进行而不断向远离巷道的位置发展。同时水力压裂导致掘进迎头前方煤体的支撑能力下降，压裂软化后的煤层应力集中程度降低，引发掘进迎头冲击危险的能量减小，因而在压裂后的煤层中开展掘进工作发生冲击危险的可能性降低。掘进工作面应力前移见图4。

图4 掘进工作面应力前移

假设转移后的应力集中区域仍然处于压裂区内且距离巷道较近的位置，此时在巷道两侧则仍然可能存在能量聚集区(如图5(a))，该能量的释放有可能破坏巷道。但是由于水的润滑作用，压裂煤层相邻裂隙面之间的摩擦力很小，在较小的应力作用下便发生塑性变形甚至产生滑移，最终在整个压裂区内可能出现应力均化现象，如图5(b)，不存在应力集中区域，巷道两侧能量聚集区基本消失。应力转移与应力均化的共同作用，降低了冲击危险的可能。

3 现场应用

以山东华丰煤矿1412工作面为例，进行煤层超高压水力压裂试验，运用矿山微地震监测系统，应力在线监测系统以及注水管路压力监测3种手段，综合评价压裂防冲效果。

图5 巷道两侧应力变化情况(图4Ⅰ-Ⅰ剖面)

3.1 工作面概况与现场布置

工作面煤层平均厚度6.2 m，煤层倾角平均32°，采深为-1 130～-1 220 m。直接顶为2.5～9 m 的粉细砂岩，直接底为4.4 m厚的中砂岩。煤层自然含水率2%，孔隙率4.38%，节理、裂隙等结构面比较发育。压裂孔布置在距离回采工作面220 m 处，1#压裂孔孔深38.9 m，孔径94 mm，2#、3#压裂孔孔深60 m，孔径65 mm，3个孔间距8 m，如图6所示。

图6 现场压裂孔布置示意

在3个压裂孔内前后共进行了4次超高压水力压裂试验，1#孔试验1次，2#孔试验2次，3#孔试验1次，其中以3#孔的压裂试验效果最佳。

3.2 3#试验现象与监测结果

3.2.1 现场试验现象

在3#孔压裂过程中，在钻孔附近能听见密集的煤层破裂的声音，3#压裂孔内无水流出，整个封孔效果良好，压裂约10 min，注入水量2 m3后，观察到1#压裂孔内有水流出，如图7所示，同时压裂管路上的压力计数值有明显的变化。综合试验现象认为压裂裂隙发育良好，基本贯穿1#、3#压裂孔之间的煤层，最终形成导流，整个压裂半径至少达到8 m左右，压裂效果较好。

图7 现场试验现象

3.2.2 管路压力监测结果

煤层水力压裂是“压力上升—产生裂隙—压力下降—继续注水—压力上升”的一个循环过程，在试验现场可通过压裂管路上压力计数值的变化来判断煤层是否压裂。压力传感器记录的压力变化曲线如图8所示。

图8 压裂管路压力曲线

从压力曲线可看出，注水时间4 min左右，注水压力达到24 MPa左右时，压力曲线出现第一次压降(箭头处)，此时为煤层开始产生裂隙的时间，在现场开始能听到煤层破裂的声音；在中间8 min内(阶段Ⅱ)压力出现反复上升下降的变化过程，即煤层裂隙开始不断向前发展；在后续3 min内(阶段Ⅲ)曲线出现较为规律的变化趋势，此时煤层内裂隙发展程度较高，注入的高压水能较快的传播到压裂区域；最后阶段(阶段Ⅳ)压力出现明显下降，煤层内不存在能够维持高压的闭合环境，裂隙从3#压裂孔发展到1#压裂孔，高压水从1#孔内流出。

3.2.3 微震监测结果

水力压裂过程中煤体破坏时产生微震事件，通过对比压裂过程中与压裂试验前煤层中发生的微震事件数量、能量等参数，可以判断煤层发生破裂程度。水力压裂试验前30 min内，监测到微震事件3次，总能量约5.66×103J；水力压裂开始后的30 min内，监测到微震事件8次，总能量约16.41×103J。煤层在水力压裂试验开始后微震事件明显增多，总能量明显增大，说明煤体产生了较大程度的破裂。

3.2.4 两侧应力变化

通过布置在压裂孔两侧的应力计监测的应力转移现象，对比压裂前后应力曲线变化，判断应力转移现象是否发生，见图9。

图9 压裂前后应力曲线

对比图9(a)、(b)应力曲线可知，压裂前应力值基本处于7.48～7.49 MPa，变化幅度0.01 MPa左右，压裂后两侧应力从7.48 MPa变化为7.53 MPa，增加0.05 MPa。虽然变化绝对值不是很大，但变化幅度相比压裂前有明显提升，加上应力转移是一个相对缓慢的过程，两侧应力的增加说明存在应力转移现象。

现场试验、压裂管路压力监测、微震监测、两侧应力变化等结果表明，在试验过程中煤体内产生了大量裂隙，煤体的完整性受到破坏，存在压裂区应力向煤层深部转移现象，压裂注水防冲效果较好。

4 结 论

(1)煤层超高压水力压裂防冲是压裂与注水软化煤层、压裂降能、压裂引起应力转移和应力均化共同作用的结果。压裂与注水改变煤体强度，降低煤层冲击倾向性；压裂作用降低煤体块度，破坏煤体内弹性能的储存场所，降低煤层所能储存的最大能量；应力转移与应力均化使得引起冲击危险的煤体向煤层内部转移或完全消失，从而达到防冲的目的。

(2)注水软化煤层、应力转移与应力均化是一个相对缓慢的过程，采用水力压裂预防冲击危险时应根据实际工作计划，提前安排试验时间。

(3)华丰煤矿回采工作面超高压水力压裂试验结果表明，该方法能够起到压裂防冲的效果，因此在掘进工作面采用该方法预防冲击地压是可行的。

(4)煤层超高压水力压裂预防冲击危险尚处于试验阶段，此次试验取得了初步成果，但其理论与技术仍需进一步完善。

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[4] 刘金海，姜福兴，冯 涛.C型采场支承压力分布特征的数值模拟研究[J]．岩土力学，2010(12)：4011-4015.

[5] 潘俊锋，毛德兵，蓝 航，等．我国煤矿冲击地压防治技术研究现状及展望[J]．煤炭科学技术，2013，41(6):21-25．

[6] 刘金海，翟明华，郭信山，等．震动场、应力场联合监测冲击地压的理论与应用[J]．煤炭学报，2014，39(2):353-363．

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[8] 章梦涛，宋维源，潘一山．煤层注水预防冲击地压的研究[J]．中国安全科学学报，2003，13(10)：69-72．

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Research on the Mechanism of Extra-high Pressure Fixed-point Hydraulic Fracturing in Tunneling Face of Coal Seam for Rock Burst Prevention

Huang Junrui WangBo Huang Guangwei

(School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing)

Aiming at the rock burst in the processing of tunnelling or mining in coal seam, a kind of new pressure for relief scour and anti impact is proposed——extra-high pressure fixed-point hydraulic fracturing. Theoretical studies suggest that, hydraulic fracturing scour is the result of joint action by fracturing and water softening coal seam, fracturing reduces energy, fracturing causes stress transfer and stress averaging. Fracturing reduces energy and injection have a significant change in reducing the energy released per unit time when the coal is destructed so as to reduce the degree of rock burst; water softening, stress transfer and stress averaging is a relatively slow process, the construction time should be arranged in advance in the process of practical application. Successful field trials in Huafeng coal mine shows that the extra-high pressure fixed-point hydraulic fracturing can play the purpose of preventing rock burst.

Hydraulic fracturing reduce energy, Stress transfer, Stress averaging, Rock burst

2014-09-25)

黄俊锐(1989—)，男，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路30号。