水力致裂提高复合型薄煤层透气性的数值模拟研究
发布时间：2023-04-28T06:59:47.900Z 来源：《中国科技信息》2023年1期第34卷 作者： 文仁毅
[导读] 由于煤层的透气性普遍较差，造成抽采瓦斯较为困难，严重制约了突出矿井和高瓦斯矿井的瓦斯治理效果。
文仁毅
四川铸创安全科技有限公司 成都 610045
摘 要：由于煤层的透气性普遍较差，造成抽采瓦斯较为困难，严重制约了突出矿井和高瓦斯矿井的瓦斯治理效果。水力致裂能提高煤层的透气性，在实际生产中，受到地质条件，工程技术等条件的，要想搞清楚煤层内部水压裂缝的具体扩展过程及定量地来评价水力致裂的增透效果是极其困难的。本文根据煤矿地质概况，建立数值计算模拟，研究了复合煤层水力致裂增透的演变过程，分析了水力致裂过程中钻孔水压力及煤层透气性的动态变化规律。 关键词：水力致裂；透气性；数值模拟 中国分类号：TU； 文献标识码： 0 引言
瓦斯是煤矿安全“第一杀手”，瓦斯防治是煤矿安全的重中之重，煤矿要预防较大以上事故，关键是要预防瓦斯事故，而瓦斯抽采是防治瓦斯事故的治本之策。煤层透气性表征煤层对瓦斯流动的阻力，它反映着瓦斯沿煤层流动的难易程度。由于煤层的透气性普遍较差，造成抽采瓦斯较为困难，严重制约了突出矿井和高瓦斯矿井的瓦斯治理效果，水力致裂能提高煤层的透气性，在实际生产中，受到地质条件，工程技术等条件的，要想搞清楚煤层内部水压裂缝的具体扩展过程及定量地来评价水力致裂的增透效果是极其困难的，而且经济成本高，费时费力。然而，采用数值模拟的手段可以实现定性和定量相结合的方法来研究致裂提高煤层透气性的演化过程。本文使用岩石损伤破裂过程渗流-应力耦合分析系统（RFPA2D-Flow）[1]，对水力致裂提高复合型薄煤层透气性进行了数值模拟分析。 1 煤层地质概况
煤矿+160m水平开采的K7煤层倾角为1～3度，属近水平煤层。煤层全厚为0.8～1.20m，煤层是“四煤三矸”的复合型薄煤层。K7煤层下部垂直3～4m、上部垂直4～6m为不可采的K6和K8煤层，K6煤层厚度为0.5至0.6m，K8煤层厚度为0.3至0.4m，均不可采。本文针对K7煤层开展复合型薄煤层透气性数值模拟研究。 2 数值模拟
应用岩石损伤破裂过程渗流-应力耦合分析系统，对水力压裂过程中裂纹的萌生、扩展、渗透率演化规律及渗流-应力耦合机制的模拟分析，对比分析了不同周围、不同均质度等对岩石水压致裂过程的影响作用下，数值模拟结果和实验结果具有较好的一致性[2]。 2.1数值计算模型
在实验研究方面，主要是采用大尺寸真三轴模拟试验系统模拟地层条件，进行地应力场控制下水力压裂裂缝扩展机理模拟实验[3]，讨论地应力、断裂韧性、节理和天然裂缝等因素对水压裂缝扩展老顶的影响，对岩体中封闭型裂隙扩展与地应力水平、水压作用的关系进行了宏观、细观实验分析。数值模拟模型截面为200×200 mm，对应的实际尺寸为2×2 m，比例尺为1:10，复合煤层水力致裂的数值计算模型见图1，钻孔直径为10 mm，将模型划分为200×200个单元。煤层内存在着3层夹矸（厚度为0.92 m），上部是伪顶（厚度为0.4 m），下部是直接底（厚度为0.6m），对应的几何模型如图1所示。本次数值模拟采用平面应力方法，试验过程中采用分步增加水压力的方法模拟水力致裂的过程。竖直应力设为5 MPa，水平应力设为3 MPa。
图1复合煤层水力致裂的数值计算模型
为定性研究水压裂缝扩展过程中煤层渗透特性的变化规律，将煤体视为均匀介质，均值度设置为1000。渗流边界设置压力为0，模拟中的固液耦合采用幂函数耦合方程。具体的数值模拟参数见表1。 表1数值模拟参数
参数名称 数值和单位 参数名称 数值和单位煤体强度 20 MPa 均质度 1000 岩体强度 35 MPa 均值度 1000
煤体弹性模量 50000MPa 均质度 1000 岩体弹性模量 70000MPa 均质度 1000 自重 0.000014N/mm3 内摩擦角 30° 拉压比 10 残余强度 0.1%
煤体渗透系数 0.0008 m/d 煤体孔隙水压系数 0.1 岩体渗透系数 0.0006 m/d 岩体孔隙水压系数 0.1 最大拉应变系数 1.5 最大压应变系数 200
注水压力初始值 3 MPa 每步增加水压 0.2 MPa 水平主应力 3 MPa 竖直主应力 6 MPa 2.2耦合方程
当单元的应力状态或者应变状态满足某个给定的损伤阀值时，单元开始损伤，损伤单元的弹性模量为 弹性模量: （1-1）
式中：D为损伤变量；G和Go分别为损伤单元和无损伤单元的弹性模量。 当单元达到抗拉强度ft损伤阀值时： （1-2）
式中：σ3为应力；ft为抗拉强度损伤阀值。
损伤变量D为： （1-3）
式中：D为损伤变量； fcr 为单轴抗压残余强度；Go无损伤单元的弹性模量；εc0为最大压应变；ε为应变；εtr为最大拉应变。 单元渗透系数为： （1-4）
式中：K为渗透系数；K0为初始渗透系数；P为压力；＆、α、β分别为渗透系数增大倍率、孔隙压力系数和耦合系数。 3 模拟结果分析
3.1水压裂缝的扩展过程分析
模拟开始时孔内初始压力为3.0 MPa，并以每步0.2 MPa/步的加速度递增，模拟过程中，分别从Step 1步、Step 13步、Step 27步不同加载步条件下的水压力、裂隙形态及声发射信和相应的渗透性系数变化，分别见图2、图3和图4。从图中可以看出：（1）随着加载步增加，注水压力逐渐增大，应力不断积累。当模拟运行到Step 1时，水压力达到3MPa，煤岩体未监测到声发射信号，表明煤岩体还未发生破裂；同时从水压力等值图中发现孔口边缘出现较大的拉应力集中。（2）随着压力的不断增大，钻孔边缘的应力集中现象也越来明显，当模拟运行到第13步时，注水压力达到5.4MPa时，开始监测到煤岩体内的声发射信号，同时观察到钻孔上下两侧开始出现了微小的裂纹，并有沿竖直方向扩展的趋势；同时发现水压力等值线密集程度越来越大，而等值线所围面积越来越大，这表明水压力受应力影响区域也越来越大。（3）当模拟运行到27步时，水压力为8.2MPa时，试块出现了明显的裂缝，监测到的声发射信号也越来越明显，此时水压力等值线在钻孔中心呈椭圆形态扩展整体水压力等值图呈现圆形态，等值线几乎蔓延到整个煤岩体。
（a）Step 1步水压力图 （b）Step 1步裂隙形态及声发射信号图 （c）Step 1步渗透性系数图 图2 Step 1步时水压力 裂隙形态及声发射信号 渗透性系数变化图
（a）Step 13步水压力图 （b）Step 13步裂隙形态及声发射信号图 （c）Step 13步渗透性系数图 图3 Step 13步时水压力 裂隙形态及声发射信号 渗透性系数变化图
（a）Step 27步水压力图 （b）Step 27步裂隙形态及声发射信号图 （c）Step 27步渗透性系数图 图4 Step 27步时水压力 裂隙形态及声发射信号 渗透性系数变化图
综上所述，复合煤岩体水力致裂数值模拟过程中，裂隙扩展大致可以分为应力积累、裂纹稳定扩展和裂纹不稳定扩展这三阶段。这三个阶段贯穿整个模拟过程，各个阶段具有各自的特性，且发展过程均按照：应力积累→裂纹稳定扩展→裂纹不稳定扩展的顺序，从较为稳定状态发展为不稳定状态。
3.2水压裂缝渗透性系数分析
不同长度裂隙，水通过煤岩体的难易程度也不同，煤岩体渗透率数值上会出现不同；裂隙发育越成熟，煤岩体的渗透率也会越大。水力致裂过程中，煤岩体内的渗透性系数的变化如图2（c）、图3（c）、图4（c）所示。从图中可以看出：（1）Step1中煤层的渗透性系数的初始值为0.0008m/d，夹矸的渗透系数为0.0002~0.0006m/d，见图2（c）中Step 1步渗透性系数图所示。（2）Step13中的，钻孔周围的渗透系数的范围在0.00085~0.00095 m/d之间，是煤岩体初始渗透系数的1.06~1.2倍，见图3（c）中Step 13步渗透性系数图所示。此刻水压裂缝虽还未扩展到煤层所夹的岩层内，但水压裂缝的渗透系数增大区域面积在扩大，范围已经接近煤层所夹杂的岩层内。（3）Step 27中的渗透系数的最大值为0.098 m/d，，是初始渗透系数最大值的122.5倍，见图4（c）中Step 27步渗透性系数图所示。此刻水压裂缝已经穿过煤岩内的上下两岩层，而且渗透系数增大的区域面积仍在进一步扩大。
随着水力致裂数值模拟实验的进行，复合煤层的渗透率在数值上增加了1-2个数量级，这是因为煤岩体水力致裂产生的微裂纹区域的裂隙端部渗透率变化明显，且随着裂隙长度的不断扩展，微裂纹增加，渗透率也相应的增加。 4结论
针对水压致裂增透问题，应用经典流固耦合模型，考虑损伤和应力变化对渗透率的影响，进行了裂隙萌生、扩展过程煤岩体渗透规律变化的数值模拟研究。研究结果表明：（1）水压力作用下，复合煤岩体新生裂隙的产生分为应力积累、裂隙稳定扩展和裂隙不稳定扩展三个阶段。（2）水压在裂纹中的扩容，加剧了裂纹的劈裂过程。水压力不仅能将煤层致裂，而且能将煤层内夹杂的岩层致裂。伴随着水压裂缝的扩展，煤岩体的自身导流能力得到了显著的增强。（3）裂隙扩展过程中主裂隙附近煤岩体渗透率高于非破坏区煤岩体渗透率，长度变化促进煤岩体渗透率的增加，数值上增加1～2个数量级，且随着裂隙长度的不断扩展，微裂纹增加，渗透率也相应的增加。 参考文献
[1] 唐春安，赵文.岩石破裂全过程分析软件系统RFPA2D［J］.岩石力学与工程学报，1997,16（5）:507~508
[2]冷雪峰，唐春安，杨天鸿等.岩石水压致裂过程的数值模拟分析[J].东北大学学报（自然科学版），2002,23（11）:1104~1107 [3]邓广哲，王世斌，黄炳香.煤岩水压裂缝扩展行为特性研究[J].岩石力学与工程学报，2004,23（20）:34~3493
