安全工程毕业设计（论文）-惠安煤矿水力压裂煤层渗透技术及数值模拟.doc

本科生毕业论 文 姓 名： 学 号： ： 学 院： 应应用技用技术术学院学院 专 业： 安全工程安全工程 论文题目： 惠安煤惠安煤矿矿水力水力压压裂煤裂煤层层渗透技渗透技术术及数及数值值模模拟拟 指导教师： 职 称： 副教授副教授 2012 年 6 月 徐州 2012 届本科生毕业论文第- 2 -页 毕业论文任务书 学院 应应用技用技术术学院学院 专业年级 安全工程安全工程 08-1 班班 学生姓名 xx 任任务务下下达达日日期期： 2012 年年 2 月月 28 日日 毕业论文日期：毕业论文日期： 2012 年年 3 月月 7 日至日至 2012 年年 6 月月 10 日日 毕业论文题目毕业论文题目: 惠安煤惠安煤矿矿水力水力压压裂煤裂煤层层渗透技渗透技术术及数及数值值模模拟拟 毕业论文主要内容和要求：毕业论文主要内容和要求： 水力压裂是一种常用的煤层卸压增透措施，该技术已经开始在我国大中型煤矿中广 泛应用，并取得了良好的效果；通过实施水力压裂增透，使工作面前方压裂增透区域的 煤体卸压，大幅度提高煤层透气性，瓦斯得到释放，工作面突出危险性得到有效消除， 煤尘、冲击地压危险性有效降低。 效果分析主要从两个方面进行，一是在距离压裂钻孔不同位置采取煤样，在实验室 对压裂后的煤体进行分析，并与原煤的相应参数进行对比；二是在压裂试验现场获取有 关数据（主要是瓦斯方面的） ，并做数据对比分析；最终，根据实验室和现场的分析结果， 确定惠安矿水力压裂效果及其有效半径。 院长签字： 指导教师签字： 2012 届本科生毕业论文第- 3 -页 毕业论文指导教师评阅书 指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究 内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总 体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）： 成 绩： 指导教师签字： 年 月 日 2012 届本科生毕业论文第- 4 -页 毕业论文评阅教师评阅书 评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识 解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程 度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 2012 届本科生毕业论文第- 5 -页 毕业论文答辩及综合成绩 答 辩 情 况 回 答 问 题 提 出 问 题正 确 基 本 正 确 有 一 般 性 错 误 有 原 则 性 错 误 没 有 回 答 答辩委员会评语及建议成绩： 答辩委员会主任签字： 年 月 日 学院领导小组综合评定成绩： 学院领导小组负责人： 年 月 日 2012 届本科生毕业论文第- 6 -页 摘 要 低渗透性煤层高产高效采煤工作面尽管在采掘前采取了一系列的瓦斯治理措施及降 尘措施，但是随着机械化程度的提高，仍然存在着瓦斯超限和粉尘量大的问题。本文在 综述国内外煤层注水、水力压裂和水力挤出技术的基础上，阐述了水力压挤技术与上述 水力化措施的区别。运用岩石力学、岩石流体力学、瓦斯赋存及流动理论、渗流耦合理 论、弹塑性损伤力学和断裂力学等理论知识，对水力压挤过程中煤体的破坏过程和高压 水对煤体瓦斯解吸规律的影响进行了研究，阐明了水力压挤防治瓦斯和降尘的机理。 在研究影响水力压挤效果的基础和技术参数的基础上，采用数量化理论建立起水力 压裂后煤体位移量预测数学模型，并运用正交化试验法得出影响水力压挤效果的参数的 主次顺序和最佳组合。依据渗流应力耦合理论，建立起煤体破裂过程中渗流应力 损伤耦合模型，借助 f-rfpa2d 软件对高压水作用下的煤体致裂及位移过程中应力场、声 发射场及位移场的变化情况进行了模拟。在惠安煤矿进行了水力压挤技术试验，验证了 水力压挤技术具有显著的挤排瓦斯效果和防尘效果。 关键词：关键词：水力压裂；关键参数；f-rfpa 2012 届本科生毕业论文第- 7 -页 abstract although there are many gas controls and measures for reductions in low permeability meseam, high production and high efficiency coal face, there still exsiting problems of gas concentration exceeding limits and greater coal dusts during mechanized production period. based on reviewing the coal seam water injection,hydraulic fracturing and hydraulic extrusion technique, the paper analyzed the difference between hydraulic pressing and the above hydraulic measures.using rock mechanics, rock and fluid mechanics, gas flow and storage in coal seam, seepage coupling, elastic-plastic-damage mechanics, fracture mechanics and other theories, the paper researched coal body failure process of hydraulic pressing as well as the influence of high pressure water on gas desorption law, illustrated the mechanics of preventing gas and dust. on the basis of researching the basic parameters and technical parameters which influence the effect of hydraulic pressing, the paper obtained the most important order of technical parameters and the best parameter combination by adopting quantification theory to establish coal displacement prediction mathematical model and using orthogonal test. on the basis of seepage-stress coupling theory,the paper established seepage-stress-damage coupling model of coal body rupture process, reconstructing rupture and displacement process under high water pressure.by means of f-rfpa 2d that can generate stress fields,acoustic emission fields and displacement fields in simulation. through the hydraulic pressing experiments carried out in huian coalmine the paper showed the significant effect of gas extrusion and dust prevention. keywords：hydraulic pressing, key parameters, f-rfpa2d 2012 届本科生毕业论文第- 8 -页 目 录 1 1 项目概述项目概述1 1.1 项目研究背景1 1.2 项目研究内容3 1.3 项目研究目标3 1.4 项目研究方案与技术路线3 1.4.1 研究方案3 1.4.2 技术路线4 2 2 水力压裂机理水力压裂机理.5 2.1 煤层的地质结构5 2.2 煤层裂缝的形态6 2.3 煤层破裂压力8 2.3.1 破裂压力等效模型8 2.3.2 破裂强度计算方法9 2.3.3 煤层裂缝的延伸压力与闭合压力10 2.4 煤层水力压裂影响因素11 3 3 水力压裂数值模拟水力压裂数值模拟13 3.1rfpa2d简介及应用13 3.1.1rfpa2d简介13 3.1.2 rfpa 应用研究 .13 3.2 水力压裂三相耦合数值模拟.14 3.2.1 单孔注水数值模拟试验.14 3.2.2 双孔注水数值模拟实验.21 3.3 小结.25 4 4 水力压裂现场试验水力压裂现场试验26 4.1 矿井概况26 4.2 水力压裂试验选点.27 4.3 穿层钻孔水力压裂试验28 4.3.1 25 采区压裂试验区域简介28 4.3.2 21 采区压裂试验区域简介28 4.3.3 穿层钻孔设计29 4.3.4 穿层钻孔水力压裂现场试验31 4.4 顺层钻孔水力压裂试验33 4.4.1 顺层钻孔设计33 2012 届本科生毕业论文第- 9 -页 4.4.2 顺层钻孔水力压裂现场试验35 4.5 小结39 5 5 水力压裂效果分析水力压裂效果分析40 5.1 水力压裂效果分析方案设计40 5.2 水力压裂效果实验室实验分析42 5.2.1 煤体瓦斯解吸速度实验分析42 5.2.2 煤体坚固性系数实验分析46 5.2.3 煤体含水率实验分析49 5.2.4 煤体瓦斯放散初速度实验分析50 5.2.5 煤层透气性测定与分析52 5.3 穿层钻孔水力压裂效果现场考察分析53 5.3.1 25 回风下山 # 26 钻场 # 1 压裂效果考察.53 5.3.2 21031 底抽巷（北段） # 1 钻场内压裂效果考察55 5.4 顺层钻孔水力压裂效果现场考察分析57 5.4.1 21031 抽放巷（北段） # 1 顺层孔压裂效果考察58 5.4.2 21031 抽放巷（北段） # 3 顺层压裂钻孔效果考察.61 5.4.3 21031 下副巷（北段）运 10 测点以里顺层压裂效果考察64 55 小结.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6 6 结论与建议结论与建议错误！未定义书签。 6.1 结论错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.2 建议错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献参考文献.错误！未定义书签。 翻译部分翻译部分.错误！未定义书签。 英文原文错误！未定义书签。错误！未定义书签。 中文译文错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致致 谢谢.错误！未定义书签。 2012 届本科生毕业论文第1 页 1 项目概述 1.1 项目研究背景 中国是一个具有自己特色的矿产资源大国，煤炭是我国的主要能源，占一次能源消 耗构成的 75-80%,具体如图 1-1 所示。 图图 1-1 中国和世界一次性能源消费结构图中国和世界一次性能源消费结构图 同时，我国又是世界煤炭生产大国，2006 年、2007 年、2008 年、2009 年全国煤炭 产量分别为 23.25 亿吨、25.23 亿吨、27.16 亿吨和 29.1 亿吨。 国家能源中长期发展规划纲要（20042020 年） 中已经确定，中国将“坚持以煤 炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略” ；中国工程院国家能源发 展战略 20302050煤炭年需求高达 38 亿吨，在能源结构中比例仍占 50%。 在探明的化石能源中，煤炭占 94.3%，显然，在相当长的时期内，煤炭作为我国的主 导能源不可替代，在相当长的历史时期内仍需保证煤炭的高产稳产。 在中国，采深小于 600 米的煤炭资源约为 1.2 万亿吨；而采深在 6002000 米的煤 炭资源约为 3.3 万亿吨，具体如图 12 所示。 图图 1-2 中国煤炭资源按埋藏深度分布图中国煤炭资源按埋藏深度分布图 由于地质条件复杂,与世界各主要产煤国家相比,我国的煤矿安全生产形势非常严峻, 其百万吨死亡率如图 1-3 所示。 2012 届本科生毕业论文第2 页 图图 1-3 各主要产煤国家的百万吨死亡率各主要产煤国家的百万吨死亡率 在我国煤矿安全生产事故中,瓦斯灾害尤为严重。以 2007 年为例,全国煤矿发生的一 次死亡 1029 人的重大事故中，事故死亡人数居第一位的是瓦斯事故，占 71.9，具体 比例如图 1-4 所示。2007 年全国煤矿发生的一次死亡 30 人以上的特别重大事故 3 起，全 部为瓦斯事故。 图图 1-4 重大事故死亡人数比例图重大事故死亡人数比例图 从中国煤炭在能源消费中的地位和煤炭资源随采深的分布规律来看，很多矿井必然 将先后进入深部开采。随着开采深度的增加，瓦斯急剧增大，如煤层瓦斯压力随开采深 度几乎呈线性增长，图 15 是南桐、天府、六枝等地瓦斯压力随采深的变化关系图 图图 1-5 煤层瓦斯压力与采深的关系图煤层瓦斯压力与采深的关系图 随着开采深度加大，原来的低瓦斯矿井将转变为高瓦斯矿井，甚至于突出矿井，根 据 2008 年煤矿瓦斯等级鉴定结果，全国煤与瓦斯突出矿井有 754 座；因此，需要加大对 煤与瓦斯突出防治技术研究的支持力度。 瓦斯事故主要表现为煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸两种形式,其中，突出事故尤为严重， 2008 年全国煤矿发生重特大突出事故 10 起，占重特大瓦斯事故的 55.6%。特别是 2004 年 10 月 20 日至 2005 年 2 月 14 日，短短 115 天时间里，河南大平、陕西陈家山、辽宁 阜新孙家湾连续发生 3 起死亡百人以上的特大恶性煤矿瓦斯爆炸事故，不仅使国家的生 命财产遭受了重大损失，也造成了极坏的国际影响。 2009 年国家安全监管总局在原防治煤与瓦斯突出细则的基础上，制定并颁布了 防治煤与瓦斯突出规定 ，其中明确指出防突工作坚持“区域防突措施先行、局部防突 措施补充”的原则。未采取区域综合防突措施的，严禁进行采掘活动，做到“不掘突出 头，不采突出面” 。 我国所有煤矿均为瓦斯矿井，其中国有重点煤矿高瓦斯矿井占 26.8% ，煤与瓦斯突 出矿井占 17.6%；其中，郑州煤电惠安矿是一座设计 90 万 t/年的煤与瓦斯突出矿井,主 2012 届本科生毕业论文第3 页 采的二 1 煤层，具有顶软、底软、煤层软的“三软”特点。二 1 煤厚平均 4.86m，煤层 坚固性系数在 0.3 以下,瓦斯放散初速度最高达 31,煤的破坏类型为、类,煤层原始瓦 斯含量最高为 17.35/t,最大瓦斯压力 1.1mpa,煤层透气性系数为 3 m 0.00530.0642/(m.d),衰减系数 =0.55d-1，属难抽放煤层。 2 m 2 pa 目前，最有效的瓦斯治理方法就是瓦斯抽放；为此，国内外很多专家、学者和工程 技术人员开展了大量的研究工作，已形成多种抽放方法，这些研究成果为矿井瓦斯治理 作出了重要贡献；惠安煤矿在 2000 年建立了矿井瓦斯抽放系统，主要抽放措施为边掘边 抽、本煤层预抽及顶底板钻孔瓦斯抽放等；但是，煤层的低透气性严重制约采前抽放 （主要指本煤层预抽）效果。 基于当前对突出的理论认识，目前防突措施都遵循：卸压、排放瓦斯、提高 煤体稳定性、改变煤体性质、改变采掘工艺五大基本原则，主要有：开采保护层、 区域性瓦斯预抽、煤层注水、金属骨架、超前钻孔、深孔注水、水力压裂、水力冲孔、 水力割缝、深孔松动爆破和深孔控制爆破等措施，可分为两大类，一类是煤层层内卸压 增透技术，另一类是煤层层外卸压增透技术。 目前采取的煤层卸压增透措施，以保护层开采技术为代表，基本趋于成熟。但是， 惠安矿的二 1 煤层目前不具备保护层开采条件，因此，就需要采取层内卸压增透技术措 施。 水力压裂是一种常用的煤层卸压增透措施，该技术已经开始在我国大中型煤矿中广 泛应用，并取得了良好的效果；通过实施水力压裂增透，使工作面前方压裂增透区域的 煤体卸压，大幅度提高煤层透气性，瓦斯得到释放，工作面突出危险性得到有效消除， 煤尘、冲击地压危险性有效降低。 不同的地质条件下，水力压裂工艺参数和效果也不一样，针对惠安矿现有煤层地质 条件，有针对性的进行水力压裂技术研究；项目研究成果不仅对惠安矿的瓦斯治理有着 非常重要的意义，而且对地质条件类似矿区的瓦斯治理工作有重要借鉴意义。 1.2 项目研究内容 （1）水力压裂煤体裂缝起裂、扩展和闭合机理； （2）水力压裂对煤体物性特征影响的实验研究； （3）水力压裂增透消突效果考察及评价。 1.3 项目研究目标 （1）理论计算分析煤体裂缝起裂压力、扩展条件和围岩应力作用下闭合条件，为水 力压裂技术提供理论依据。 （2）建立合理的水力压裂裂缝扩展模型，为水力压裂技术参数优选和设计提供依据。 （3）对水力压裂前后钻孔的瓦斯抽采浓度、抽采量进行考察、对比与分析。 1.4 项目研究方案与技术路线 1.4.11.4.1 研究方案研究方案 本项目采用理论分析、数值模拟、实验室实验和现场试验相结合的方法来进行研究， 以水力压裂工艺参数为研究核心。理论分析煤体裂缝起裂压力、扩展条件和围岩应力作 用下闭合条件；在实验室通过实验研究煤体硬度、渗透率、煤的吸附性、煤的湿润性及 水对煤吸附解吸性能影响；采用数值方法建立合理的水力压裂裂缝扩展模型；现场试验 2012 届本科生毕业论文第4 页 考察分析水力压裂前后钻孔瓦斯抽采浓度、抽采量。 2012 届本科生毕业论文第5 页 1.4.21.4.2 技术路线技术路线 本项目的研究技术路线如图 1-6 所示。 图图 1-61-6 项目研究技术路线图项目研究技术路线图 水力压裂机理水力压裂煤体物性特征实验 煤体裂缝起裂压力 煤体裂缝扩展条件 煤体裂缝闭合条件 撰写研究报告 水力压裂数值模拟 煤体裂隙扩 展 煤体裂隙闭 合合 现场试验考察 钻孔瓦斯抽采浓度 钻孔瓦斯抽采量 2012 届本科生毕业论文第6 页 2 水力压裂机理 2.1 煤层的地质结构 早在 19 世纪人们就已经认识到煤中裂隙的存在，20 世纪的前期就有关于煤中裂隙的 研究，但进展缓慢。直到 20 世纪 60 年代，煤田地质学领域对煤中裂隙的研究在方法和 理论上达到了相对系统、成熟阶段。 煤体内裂隙、孔隙及其分布状况始于 20 世纪 70 年代的煤层气勘探开发，使煤中裂 隙的研究产生了质的飞跃。近年来，关于煤中裂隙的研究成果大量出现。我国于 20 世纪 80 年代末才对美国的现代煤层气地质学理论进行系统的引进、消化、吸收，在短短的几 年内关于煤中裂隙的研究取得了显著进展。煤体内有无数的裂隙、孔隙，按成因、存在 状态和分布情况可有如下五种。 （1）层理 煤层的层理面是在成煤过程中形成的各种煤岩成分的分界面。层理虽然没有直接使 煤体或使煤体和围岩间断裂开来，但使煤体沿层理方向产生一个弱面，注水后，水容易 从其压入通过。所以，在研究水力压裂时，将层理纳入裂隙讨论。 层理由于形成环境不同，其形态各异，大致分成三类，即水平层理、波状层理和斜 层理。水平层理层的形状为直线状，互相平行，并且平行层面；波状层理层面成对称或 不对称，规则或不规则助波状曲状曲线，其总的方向平行于层面；斜层理是由一个或一 个以上的斜层系所组成、其特征是层系中的细层均以一定的角度与层系界面相交。层理 有连续性与非连续性之分。层理面常可成为一个连续通道，使水到达整个煤层的待湿润 范围。 （2）内生裂隙 煤体的内生裂隙是因煤层在成煤和变质过程中，受上覆岩层压力和温度的作用，使 煤炭中凝胶化物质的分子结构压紧并重新排列，体积收缩产生内张力，而形成了裂隙。 它的形成与地质构造运动和采动影响等外界动力无关，因此称为内生裂隙。在各种 煤岩成份中，以镜煤和亮煤中的内生裂隙最为发育。它通常垂直于层理面，裂隙面平坦 而光滑，往往呈两组互相垂直的裂隙组，其中裂隙密度较大的一组称为主裂隙组，另一 组称为次裂隙组，如图 21 所示。内生裂隙的发育程度，是用煤体某一断面上沿层理方 向每长度内肉眼观察的裂隙数目来表示的。它和煤的变质程度紧密相关，常常用以判别 煤的变质程度，同时也是影响煤体注水难易的一个因素。 1、层理面；2、主内生裂隙组；3、一次内生裂隙组；4、外生裂隙；5、镜煤或亮煤 2012 届本科生毕业论文第7 页 图图 2 2-1 1 煤体内生裂隙与外生裂隙煤体内生裂隙与外生裂隙 （3）外生裂隙 煤层形成后，受地质构造运动的剪切作用，按受力方向和强烈程度不同，产生了与 层理面斜交的外生裂隙。它能产生于各种煤岩成份或各种煤岩类型的煤体中。外生裂隙 常与层理面斜交成不同的交角，可分为几组，常见的有 45o 的斜交外生裂隙。 裂隙面上由于在挤压过程中产生剪切滑动，常呈擦痕而凹凸不平。主要的外生裂隙 组方向常与附近的断层方向一致。外生裂隙内常有次生裂隙矿物或破碎的煤粉（原生煤 尘）充填。外生、内生裂隙和层理面相互交错，使煤体沿这些裂隙破裂时，构成一定的 几何形状，这就是常称的“节理” 。常见的节理有板状、立方体、平行六面体等。 （4）次生裂隙 煤体在采落之前，受本层或上邻近层开采的超前支承压力的作用，或受邻近分层爆 破作业的影响所形成的裂隙称为次生裂隙。它是由于人的开采活动造成的煤体裂隙，因 此，和次生裂隙相对应，内生及外生裂隙是在煤体未受开采影响之前形成的，可统称为 原生裂隙。 （5）煤体内的细微孔隙 在煤层的生成及其后的变质过程中，由于挥发物质、瓦斯和水分的不断泻出，煤体 中自然形成了各类细微孔隙。这些细微孔隙大多是互相连通的，只是个别的孔隙系统处 于封闭状态。煤体中孔隙的直径有的小于液体分子直径，有的大于瓦斯分子直径。 煤层在透水性质上可以看成是具有两类孔隙的介质。一类是裂隙系统，它具有使水 通过并储存一些水的作用；另一类使被这些裂隙所分割的煤块孔隙。显然，裂隙系统起 了一种渠道作用，水由它进入各种煤块孔隙。按照煤体中各类孔隙的直径大小可以将孔 隙分为五类，如下表 2.1 所示。 表 2.1 按直径大小孔隙分类 参数大微孔隙微孔隙半微孔隙中微孔隙细微孔隙 直径（m）10-410-410-610-610-710-710-810-810-9 煤体的各类裂隙的发育程度，一般用单位长度或单位面积内所存在的裂隙条数来表 示，而煤体的孔隙发育程度（包括全部裂隙的体积在内）则以孔隙率表示。 2.2 煤层裂缝的形态 煤层裂缝的形态是指在水力压裂作用下所产生裂缝的空间几何形状。裂缝形态客观 地由地层条件和岩石性质所决定，包括原地应力、岩石强度(抗拉强度、抗压强度等)、 岩石变形性质(弹性模量、伯松比等)、岩石渗透性质等。而压裂施工作业参数包括压裂 液粘度等性质和注入量、注入时间、注入速率等，则可以在一定程度上改变裂缝形态。 (1)当上下围岩的破裂强度明显大于煤层的破裂强度，且煤层与上下围岩交界处连续 性好，无明显水平分层界面时，裂缝不能突破上下围岩而只能限制在煤层中扩展，孔在 煤层与上下围岩交界处不能发生两缝面的相对分离滑移，则裂缝高度恒定，即为煤层的 高度。它的横截面呈椭圆形，称之为恒高椭圆形断面缝，具体如图 22 所示。 (2)当上下围岩的破裂强度明显大于煤层，且煤层与上下围岩交界处连续性差，水平 分层界面明显时，裂续不能突破上下围岩也只能限制在煤层中扩展，孔在煤层与上下围 岩交界处两缝面能产生相对分离滑移，则裂缝高度恒定。它的横截面呈矩形，称之为恒 高矩形断面缝，具体如图 23 所示。 2012 届本科生毕业论文第8 页 (3)当煤层厚度很大，超过压裂裂缝可延伸距离；或者上下围岩与煤层的地应力和岩 性条件很接近时，裂缝沿径向放射扩展的程度比较均一，因而形成全方位圆盘状裂缝， 该圆盘形裂缝的中心轴为水平轴，裂缝直立，称之为径向扩展裂缝，具体如图 2-4 所示。 图图 2-22-2 恒高椭圆形断面裂缝恒高椭圆形断面裂缝 图图 2-32-3 恒高矩形断面裂缝恒高矩形断面裂缝 图图 2-42-4 径向扩展裂缝径向扩展裂缝 (4)裂缝高度在上下围岩中有所扩展，裂缝横断面在进入上下围岩后呈劈尖形。形成 这种裂缝的地层及岩性条件是：上下围岩的破裂强度一定程度大于煤层。从形状和形成 条件看，这种裂缝介于前述的恒高缝型与径向扩展型裂缝之间，或者可认为变高缝型裂 缝是一种从恒高缝型向径向扩展型过渡裂缝，具体如图 25 所示。 2012 届本科生毕业论文第9 页 图图 2 25 5 变缝高裂缝变缝高裂缝 2.3 煤层破裂压力 煤层裂缝的扩层是自孔壁开始逐渐向地层中延伸的。在开始注入压裂液使孔壁发生 开裂的瞬时压力称为初始破裂压力(破裂压力)；之后维持裂缝继续扩展的压力称为延伸 压力，由于近孔眼区域的应力集中，使破裂压力往往大于延伸压力。掌握破裂压力的量 值对分析研究煤层的压裂规律、选择确定压裂施工设备和规程无疑是十分重要的。 2.3.12.3.1 破裂压力等效模型破裂压力等效模型 理论方法求取初始破裂压力的基本过程是，先根据原地应力场和孔眼内液体压力， 用弹性力学计算在孔眼形状所等效出的边界条件下近井区域的应力状态，再根据材料强 度理论确定极限液压力，作为地层破裂压力 pco。根据压裂设施的实际情况，等效模型主 要有如下两种： （1）点源模型 把压裂部位视作无限大球体中的一个中心点源(图 26)。这种形式为空间问题球坐 标形式，其特点是考虑三维空间影响。该模型适于水平与垂直应力差别不大的厚煤层， 在三维地应力相差不大的情况下，有: 图图 2 26 6 点源模型示意图点源模型示意图 （21） 33 2 3 1 3 333 12 33 1)( ab pbpa rab ppba r （22） 33 2 3 1 3 333 12 33 1 )(2 )( ab pbpa rab ppba h t v t 式中: 地层中一点相对球中心的径向主应力; 33 2 3 1 3 333 12 33 1 )( ab pbpa rab ppba r 2012 届本科生毕业论文第10 页 地层中一点相对球中心的两个相互正交的切向应力; 33 2 3 1 3 333 12 33 1 )(2 )( ab pbpa rab ppba h t v t 33 2 3 1 3 333 12 33 1 )(2 )( ab pbpa rab ppba h t v t a、b分别为中空圆球的内、外半径； r该点距球心的空间距离； p1孔内水压力； p2地应力。 （2）椭圆孔模型 把压裂部位视作一椭圆柱体，这种形式为平面问题的复变函数。该模型适于最大与 最小水平地应力已知、井眼椭圆度已知或射孔方位及贯人深度已知的情形。在忽略垂向 影响的前提下，由复变函数方法可得如下两种情况。 地层受单向拉伸力 s 作用时： 最大水平正应力为： （0m1） （23） m m s 1 3 max 最小水平正应力为： （24）s min 在椭圆孔边受均匀压力 p1 作用时： 最大水平正应力为： （25） 1max ) 12(p b a 最小水平正应力为： （26） 1min ) 12(p a b 式中:a 为椭圆长半轴；b 为椭圆短半轴。 2.3.22.3.2 破裂强度计算方法破裂强度计算方法 求解初始破裂压力的第二步关键问题是判定煤体在一定应力状态下的破裂强度。根 据固体力学材料强度理论，有 6 种屈服理论可对材料在复杂应力状态下是否发生破坏进 行判别，它们分别是： （1）最大主应力理论 该理论认为处于复杂应力状态下的材料，当最大主应力达到该材料在简单拉伸试 1 验时的屈服正应力时，就发生屈服破坏。相应的判别表达式为 b （27） b 1 （2）最大主应变理论 当最大主应变与简单拉伸时屈服应力所对应的应变相等时，材料发生屈服。相 1 e b e 应的判别表达式为： （28） b ee 1 （3）最大剪应力理论 屈服取决于材料中最大切应力，当到达某一临界值，这个临界值取为 2 31 max 简单拉伸试验的最大切应力，即最大屈服正应力的一半。相应的判别表达 b （29） 22 31b （4）总应变能理论 当总应变能等于简单拉伸时的)222( 2 )( 2 1 133221 2 3 2 2 2 1 ee ut 2012 届本科生毕业论文第11 页 总应变能时，材料发生屈服破坏。相应的判别表达式为： （210） 2 133221 2 3 2 2 2 1 2 1 )222( 2 )( 2 1 b eee 式中：e材料的弹性模量； 材料的泊松比。 （5）畸变应变能理论 当畸变能达到简单拉伸屈服时的畸变能，)()()( 12 1 2 13 2 32 2 21 g us 材料发生屈服破坏。相应的判别表达式为： （211） 22 13 2 32 2 21 6 1 )()()( 12 1 b gg 式中：g材料的剪切弹性模量。 （6）莫尔应力圆理论 该理论是在最大剪应力理论基础上的推广，即将最大剪应力理论由单一考虑简单拉 伸(或压缩)扩大为既考虑拉伸又考虑压缩，可用作图法求解。 在用前述方法获得了孔壁应力状态、，实测煤岩样的力学性质参数(抗拉 1 2 3 强度、抗压强度、弹性模量、泊松比)后，用以上 6 种强度理论均能得出各自理论支配下 的煤层破裂压力。 由于煤岩脆性较大，而大量试验表明用最大主应力理论来预测脆性材料的破坏是较 满意的。据此，一般情况下用最大主应力理论作为煤层初始破裂压力 pco 的计算依据。 将前述的点源模型所得的主应力代入最大主应力理论，根据试验所得煤的单轴抗拉强度 ，有： bt 若， (212） btt pp 2 3 2 21 1 可得破裂压力 （213） 21 32ppp btco 另外，由于煤岩的抗压强度比拉伸强度大得多，而这种情况下用莫尔圆理论作为脆 性材料的破裂数据也较为合适。 2.3.32.3.3 煤层裂缝的延伸压力与闭合压力煤层裂缝的延伸压力与闭合压力 （1）压裂施工中的延伸压力 在煤层中一旦造成裂缝，随着压裂液持续进入缝中，裂缝将向三个方向延伸，即在 裂缝长度上、宽度上及高度上都要延伸。目前，在计算裂缝几何尺寸上，常将缝高定为 常数。压裂施工过程中比较常见的压力变化曲线如图 2-7 所示，它描述了从开泵到停泵 后的压裂压力变化全过程。 2012 届本科生毕业论文第12 页 图图 2-72-7 压裂施工过程中压力变化曲线图压裂施工过程中压力变化曲线图 从图上看到煤层破裂时，地面压力增高，这正反映出注入压力要平衡孔眼周围由于 两个水平主应力所形成的应力集中及其他应力与阻力。煤层破裂后，裂缝在较低的压力 下延伸，裂缝的延伸压力随着裂缝向地层内部延伸而稍有增加，这是由于缝长增加导致 流体在缝中流动阻力增加的缘故。 （2）闭合压力 裂缝的闭合压力 pc 是裂缝刚刚能够张开或恰好没有闭合的压力。缝中的闭合压力应 为； （214） sc pp min 式中： 地层中最小有效主应力； min ps孔隙液压力。 考虑到，因此 s p min min （215） minmin ssc ppp 上式说明裂缝闭合压力等于地层最小主应力。 2.4 煤层水力压裂影响因素 在煤层水力压裂过程中影响破裂效果的因素主要有以下几个方面 1）煤的强度 煤的力学强度是指煤受外力作用时抵抗破坏的能力，是煤的一种力学特性。当外力 增加时，煤的内应力也相应地增大，直至煤破坏。此时煤内的应力应为煤的强度。由于 煤受外部载荷的性质不同，如单向受力或多向受力、拉伸或压缩，以及外部载荷作用时 间的长短不同，煤岩的强度也各不相同。煤的强度越大，水力压裂将越难进行。 从煤的受力状态来区分煤的强度，可以分为以下几种类型： （1）单向抗压强度 煤在一个方向受压而破坏时的应力称为煤的单向抗压强度。单向抗压强度在煤矿中 常用普氏坚固系数作为煤岩破碎难易程度的综合性指标，由于煤的层理、节理、孔隙的 多少以及分布不均匀性，单向抗压强度在煤层各个方向上存在着较大的差异。 2012 届本科生毕业论文第13 页 （2）单向抗拉强度 煤属于脆性材料。它与金属材料不同，普通煤的单向抗压强度要比抗拉强度大几倍、 十几倍，甚至几十倍。 2）煤的水份 煤中含水量直接影响水力压裂效果。按其在煤中的存在状态，可分为两类，一类是 游离水，一类是结晶水。 （1）游离水 游离水是煤的内部小毛细管和煤的外表面的大毛细管所吸附的水。当温度大于 100 时，煤中游离水就会逸出。 （2）结晶水 煤中的结晶水是煤中无机矿物质所含的结晶水，如 caso4.2h2o。这种水在 110下 是不会逸出的。只有当温度高于 200，结晶水才能逸出。 3）煤的密度 煤的密度是指一定体积的煤与相同体积的水的质量之比。煤是多孔物质，其密度是 影响水力压裂的重要因素之一。 4）煤的孔隙率，煤的孔隙率影响煤的吸水性和煤的透水性。 5）煤和水的湿润边角，水对煤的湿润边角是反映水分子与煤分子之间吸引力大小的 物理量。根据湿润边角可以确定煤体表面湿润的难易和毛细作用的大小。水分子与煤炭 分子间的吸引力愈大，湿润边角愈小，愈易于湿润。相反，如水分子之间的吸引力增大， 即水的表面张力系数增大，则湿润边角变大，使煤体难于湿润。 6）煤层瓦斯压力，瓦斯压力将抵消部分注水压力。而过去分析这种情况往往被忽略， 但在高瓦斯煤层，煤层瓦斯压力是影响水力压裂效果的重要因素。 2012 届本科生毕业论文第14 页 3 水力压裂数值模拟 3.1rfpa2d简介及应用 3.1.1rfpa2d3.1.1rfpa2d简介简介 岩石是一种复杂的非均匀材料。以往较多的研究将岩石受力后变形和断裂过程的非 线性归结为弹塑性，用宏观上的弹塑性来表达，当然这种表达忽略了岩石内部细观结构 的非均匀性，这种基于经典力学理论的本构理论不足以表达岩石变形破坏的整个过程， 更不易用于其破坏机理的研究。其实，人们已经广泛认为岩石力学性质的弱化是由于内 部结构在受力作用后内部结构的损伤和裂纹产生而引起的，这实际上是从岩石细观结构 上找到了其破坏机理。因此对于岩石内部结构弱化的研究必然要借助于损伤力学这一有 效的工具。rfpa 为了考虑岩石的非均匀性，材料性质按照某个给定的 weibull 分布来赋 值，并应用弹性有限元法作为应力分析工具，计算分析对象的应力场和位移场。组成材 料的各个细观单元的力学性质(包括弹性模量、抗压强度、抗拉强度及泊松比等)假定满 足某个弹性损伤的本构关系，同时，最大拉应力(或者拉应变)准则和摩尔库仑准则分别 作为该损伤本构关系的损伤阀值，即单元的应力或者应变状态达到最大拉应力(或拉应变)准 则和摩尔库仑准则时，认为单元开始发生拉和剪的初始损伤。损伤演化按照弹性损伤本 构关系来描述。 3.1.23.1.2 rfparfpa 应用研究应用研究 尽管从宏观上讲岩石可能具有明显的宏观非线性性质，但从细观上讲，局部细观单 元体的破裂性质主要呈现出弹一脆性行为。岩石的声发射说明了这种弹一脆性行为的普 遍存在。因为岩石的声发射是材料内部产生局部微破裂时产生的弹性波，而只有当细观 单元体产生脆性破坏时，它才会因弹性回弹而发射出明显的弹性波。细观单元体尺寸取 得越小，材料越均匀，这种弹一脆性的性质就越明显。因此，从这种意义上说，假定细 观单元体是弹一脆性材料是合理的。在一个统一的变形场中，微破裂不断产生的原因除 了载荷不均、形态不够光滑等结构因素而形成应力集中之外，更主要的是细观单元体抗 力(强度)的不均匀性。可以看出，材料的非线性特征与其细观材料参数的非均匀性有直 接联系。非线性有限元只是抓住了材料变形“非线性”这个宏观特征，其处理方法是将 由这个宏观特征而假设的非线性本构关系作为单元的性质(细观特征)而加入分析计算。 它忽略了组成模型的单元的个体性质(非均匀性)，使计算结果不存在宏、细观的差异。 而事实上，由于岩石类介质的极度不均匀性，它们的性质在宏、细观方面存在很大的差 异。尽管这种细观单元的力学特性比较简单，但是一些复杂的破坏现象仍然可能通过它 们的演化来描述。为了描述材料性质的非均匀性，假定材料的力学性质满足 weibull 分 布，该分布可以按照如下分布密度函数来定义: (3-1) m e m e e m f 0 1 00 exp 式中:代表由该分布产生的参数(例如强度、弹性模量、泊松比等)的数值;是一 e 0 个与所有单元参数平均值有关的参数，但其数值还不是该平均值。形状参数 m 定义了 weibull 分布密度函数的形状。参数 m 较小时，细观单元强度各不相同，分布比较分散， 对应的宏观强度较低;当参数 m 较大时，细观单元强度分布比较集中，表示材料强度的均 2012 届本科生毕业论文第15 页 质性较好，因为材料内部所包含的大部分细观单元近乎相同，接近于给定的参数，当 0 然对应的宏观强度较高，也接近于参数。m 反映了材料内部结构的均质性，可称之为均 0 质度，越大材料越均匀。weibull 分布中，m 值越大，越接近于材料性质的均值，同时 0 参数分布的方差逐渐减小，并趋近于零。所以为了方便起见，我们就把称为均值。随 0 着分布参数 m 的增加，各个单元的强度接近于给定的分布平均值，这表示该试样的强 0 度分布较为均匀，反之，试件的强度分布较为离散。因此，参数 m 反映了单元性质的均 匀程度，均质度越大，材料性质越均匀，材料性质越接近于给定的参数。 0 rfpa 系统，是一个能模拟岩石介质逐渐破坏过程的数值模拟工具，与其它已有的逐 渐破坏模型 (progressivefailure/fraeture/damagemodel)一样，分析过程括:应力分 析和渐进破坏分析。应力分析采用有限元法进行，完成每一计算步在外载荷或环境因素 作用下(加载、开挖、水荷载和位移边界条件的改变等)的力学响应和位移场。渐进破坏 分析是根据修正后的库仑(coulomb)准则(包含拉伸截断)来检查材料中是否有单元破坏， 对破坏单元则采用刚度特性退化(分离处理，并在后处理图上该单元以黑色显示为裂纹) 和刚度重建(接触处理，单元再次发挥传递相邻单元应力的作用)的办法进行处理一般认 为声发射是由于晶体的位错运动、滑移、弹性和塑性变形、裂纹的萌生和扩展以及摩擦 作用而引起的。所以单元的破坏量与岩石的声发射之间存在着正比关系。基于这种思想， 在数值计算中，用破坏单元数目来表征声发射次数:用单元的损伤应变能释放来表示声发 射的能量释放。上述分析可以解决裂纹萌生及非规则路径扩展问题。这样，就可以用数 值计算方法。研究岩石破坏过程中的复杂机制及其声发射规律。 3.2 水力压裂三相耦合数值模拟 以惠安矿 21031 工作面的水力压裂为研究对象来建立计算模型。该工作面煤强度为 40mpa，煤层瓦斯压力为 1.3mpa，煤层透气性系数为 0.5，孔隙率为 0.25%，泊松比为 0.25，掘进工作面温度 20 摄氏度。为了研究注水压力、瓦斯压力与煤层破裂关系，设计 了两个数值模拟实验:第一个实验为单孔注水模拟(该实验分两部分，分别分析注水压力、 瓦斯压力对煤体破裂的影响)，第二个实验为双孔注水模拟。 3.2.13.2.1 单孔注水数值模拟试验单孔注水数值模拟试验 表一表一 岩层模型参数岩层模型参数 2012 届本科生毕业论文第16 页 表二表二 煤体模型参数表煤体模型参数表 计算模型如图 1 所示 图图 1 1 计算模型图计算模型图 为了分析注水压力对煤层破裂的影响，这里采用在模型中心开挖一个圆形空洞模拟 注水孔，模型的瓦斯初始压力 1.1mpa。注水孔水压初值设为 5mpa，每步递增 1mpa，共 运算 20 。这样可以用声发射图模拟出不同压力下煤层裂隙发育情况。 l)声发射图分析 材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(acousticemissioion), 简称 ae，有时也称为应力波发射。 材料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是结构失效的 重要机制。这种直接与变形和断裂机制有关的源 ，被称为声发射源，声发射可以用来描 述岩石内部破裂情况。声发射是一种常见的物理现象，各种材料声发射信号的频率范围 很宽，大多数材料变形和断裂时有声发射发生，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。 rfpa 的声发射图中点和圆圈是声发射声波，点、圈出现位置为声发射发生位置，即代表 该处煤体发生破裂。 声发射图第一步第一小步如图 5 所示 2012 届本科生毕业论文第17 页 图图 5 5 水压水压 5.0mpa5.0mpa 时声发射时声发射 分析:在注水孔内注入 5mpa 压力水时，由于压力较小未对煤体造成较大损伤，声发 射较少且集中在注水孔周边。此时水主要以渗流方式进入煤体原始孔隙一裂隙中 声发射图第五步第一小步如图 6 所示 图图 6 6 水压水压 10mpa10mpa 时声发射时声发射 分析:随着注水压力增加到 10mpa，水进一步渗入煤体原始孔隙一裂隙中。瓦斯气体 被压缩，瓦斯压力增大，并且瓦斯与水几乎不相溶，瓦斯压力成为阻碍水湿润煤体重要 因素。 声发射图第九步第三小步如图 7 所示: 图图 7 7 水压水压 14mpa14mpa 时声发射时声发射 分析:随着注水压力增加到 14mpa，煤体破裂加剧，水较大量渗入煤体原始孔隙一裂 隙和新生裂隙中。声发射图第十五步第一小步如图 8 所示 2012 届本科生毕业论文第18 页 图图 8 8 水压水压 20mpa20mpa 时声发射时声发射 分析:随着注水压力增加到 20mpa，煤体破裂进一步加剧，水大量渗入煤体原始孔隙 一裂隙和新生裂隙中。声发射图第二十步第五小步如图 9 所示 图图 9 9 水压水压 25mpa25mpa 时声发射时声发射 分析:随着注水压力增加到 25mpa，煤体破裂进一步加剧，水大量渗