潘北矿A3煤层11313工作面底抽巷水力压裂技术研究

摘要

本文主要对潘北煤矿的水力压裂卸压增透技术进行研究，采用的是理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法，以A3煤层11313工作面底板巷区域进行现场试验，研究水力压裂卸压增透效果。其结果表明通过水力压裂措施能提高A3煤层的透气性、增大抽采半径、提高抽采率、降低煤层突出危险性的目的。
　　本论文从力学理论、数值模拟、现场试验三个方面入手，针对高瓦斯低透气性煤层穿层钻孔水力压裂增透技术进行了研究和分析。
　　从力学理论角度分析了穿层钻孔水裂压裂的起裂压力和起裂位置:只考虑径向水平应力的条件下，起裂压力为PH1=（1+λc）q0+2(1-λc)q0cos2θ+ min{Rti｝;只考虑轴向水平应力的条件下，起裂压力为PH2=q0cosα+λpq0sinα+min{ci｝。因此，起裂压力为PH=min{PH1，PH2｝，当PH=PH2时，注水压裂的钻孔将会沿着某个层理面法线方向起裂，而且起裂于最弱层理面的位置处。当PH=PH1时，起裂位置由min{Rti｝和λc决定，当λc＞3+ min{Rti}-p/q0时，在内水压力的作用下，钻孔的起裂位置将会在最弱煤分层段水平方向上，进而沿铅垂方向起裂;当λc＜1/3[p-min{Rti}/q0+1]时，则起裂于最弱煤分层段的铅垂方向上，沿水平方向起裂。
　　通过RFPA2D-Flow软件进行数值模拟，探究煤层埋深和水力压裂起裂压力之间的关系以及煤层瓦斯压力对水力压裂试验的影响，得出煤岩体的起裂压力随着煤层埋深而增加。微裂压力与埋深的关系为p=7.4014e0.0014h，相关性系数为0.9754;破裂压力与埋深的关系为P=6.5764e0.0018h，相关性系数为0.9662;煤层瓦斯压力会抵消部分注水压力，所以瓦斯压力越大，破裂煤体越困难。
　　在潘北矿11313底板巷水力压裂试验中，通过水力压裂前后含水率、抽采半径以及抽采效果的对比，得出:水力压裂有效影响半径为20m;有效抽采半径由压裂前的2.5m增大到6m;压裂后，瓦斯抽采纯量在峰值区，与压裂前瓦斯原始抽采纯量相比平均提高6.42倍，瓦斯抽采纯量稳定后，与压裂前瓦斯原始抽采纯量相比平均仍提高2.16倍。
　　对潘北矿A3煤层层内卸压增透技术的研究，结合了现场实测，从而验证了数值模拟计算的结果和力学分析的结果的准确性。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 煤层卸压增透技术研究现状

1．2．2 水力压裂研究现状

1．3 存在的主要问题

1．4 主要研究内容和技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

2 穿层钻孔水力压裂机理分析

2．1 煤层的结构特征分析

2．2 水力压裂机理分析

2．3 穿层钻孔水压和起裂位置分析

2．3．1 钻孔围岩任意一点处的应力状态

2．3．2 穿层钻孔水平应力分析

2．3．3 注水压力和起裂位置确定

2．4 本章小结

3 基于RFPA的水力压裂数值模拟

3．1 RFPA简介

3．2 模型建立

3．3 数值模拟方案确定与模拟结果分析

3．3．1 探究煤层埋深对水力压裂试验起裂压力的影响

3．3．2 探究煤层瓦斯压力对水力压裂煤体破裂的影响

3．4 本章小结

4 水力压裂增透试验

4．1 矿井概况

4．1．1 位置与交通

4．1．2 气候与气象

4．1．3 地层与构造

4．1．4 煤系与煤层

4．1．5 水文地质

4．1．6 其它开采技术条件

4．2 试验区域煤层及11313底抽巷概况

4．3 水力压裂试验方案

4．3．1 方案设计

4．3．2 水力压裂增透试验目的

4．3．3 水力压裂前准备

4．3．4 水力压裂设备选型

4．3．5 压裂钻孔设计与施工

4．3．6 水力压裂孔封孔工艺

4．3．7 水力压裂试验过程

4．3．8 水力压裂过程中的安全技术措施

4．4 本章小结

5 水力压裂试验效果分析

5．1 原始煤体瓦斯抽采参数考察

5．1．1 原始煤体物理力学参数

5．1．2 原始瓦斯抽采半径

5．1．3 原始瓦斯抽采效果

5．2 水力压裂试验效果考察

5．2．1 压裂后有效影响半径考察

5．2．2 压裂后瓦斯抽采效果考察

5．2．3 压裂后有效抽采半径考察

5．3 水力压裂相关规律分析

5．3．1 水力压裂的影响规律

5．3．2 瓦斯抽采效果

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢