结构异性煤层注水裂纹扩展机制研究_冉星仕.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 结构异性煤层注水裂纹扩展机制研究 冉星仕 （神木县隆德矿业有限责任公司， 陕西 榆林 719300） 摘要 基于煤体结构异性特征， 从微观角度数值分析注水煤体裂纹起裂、 扩展及停止过程。研 究结果表明 注水时煤体节理端应力集中， 然后沿节理面 （弱面） 扩展， 当剪应力小于煤面剪切强 度时， 裂纹停止； 注水压力较大时， 煤体不仅沿节理面扩展， 而且还在裂纹尖端处导致煤体损伤， 衍生新的裂纹路径。 关键词 结构异性； 注水致裂； 微观机制； 层理/割理； 弱面； 裂纹拓展 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0188-05 Crack Propagation Mechanism of Water Injection in Anisotropic Coal Seam RAN Xingshi （Shenmu Longde Mining Co., Ltd., Yulin 719300, China） Abstract In this paper, based on the structural anisotropy characteristics of coal body, crack development of crack initiation, propagation and stop by water injecting into coal body is numerically analyzed in microscopic model. The results show that the stress at the joint end of coal body is concentrated during water injection, and then propagates along the joint surface （weak surface） . As the shear stress is less than the shear strength of coal surface, the crack stops. When the water injection pressure is higher, the coal body not only propagates along the joint surface, but also causes the coal body damage at the crack tip, which leads to a new crack path. Key words structural anisotropy; water injection cracking; micro mechanism; bedding/cleat; weak surface; crack propagation DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.041 冉星仕.结构异性煤层注水裂纹扩展机制研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 188-192. RAN Xingshi. Crack Propagation Mechanism of Water Injection in Anisotropic Coal Seam ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 188-192. 移动扫码阅读 煤层瓦斯主要以吸附和游离状态存在于具有复 杂孔裂隙的煤体中， 是煤矿开采的重大威胁[1-2]。我 国煤矿 95以上的煤层属于低渗透煤层， 瓦斯抽采 难度极大[3]。因此， 在煤矿开采前， 需采取必要的措 施提高煤层渗透性，增加煤层透气性方法的本质是 通过物理、化学等人工干预的方式，在局部强制改 善煤层的孔隙及裂缝系统，提高煤层透气性，从而 达到强化抽采瓦斯的目的[4]。目前， 煤层渗透性改善 措施的研究和应用主要包括钻孔技术 （大孔径钻 井、 密集钻井、 交叉钻井） [5]、 深孔爆破技术[6]、 水力压 裂[7]等， 这些措施的应用取得了增产效果[8]。其中针 对水力压裂技术，众多学者开展了大量的理论和实 践研究[9-12]。水力压裂技术的应用， 不仅消除了煤与 瓦斯突出危险，还有效提高了煤层瓦斯的抽采效 果。虽然煤层水力压裂技术取得了显著的效果， 但 煤层水力致裂机制的研究还不够深入，这是因为煤 层是一种非均质性天然材料，煤体内部不仅存在微 裂隙， 还有节理、 层理等弱结构面的影响， 这对注水 压裂裂纹的扩展产生极大的影响[13-14]。因此， 考虑煤 体结构异性特征，采用数值模拟的方法对注水压裂 煤体裂纹的发生、 发展和停止机制进行分析。 1煤层结构异性特征 与常规天然气储层相比，煤储层具有双孔隙结 构，即煤基体内由孔隙和裂隙组成。这是因为煤储 层沉积过程具有取向性，经过漫长的地质作用后， 煤储层结构各向异性，尤其在层理方向和节理方向 上更为明显[15]。煤层割理是指煤层中内生裂隙和外 生裂隙的总称。割理是指煤中天然存在的裂隙， 一 般呈相互垂直的 2 组出现，且与煤层层面垂直或高 分析 探讨 188 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 4岩体裂缝数值模型 Fig.4Numerical model of rock fracture 图 1煤体结构异性特征 Fig.1Structural anisotropic characteristic of coal body 图 2煤样巴西劈裂破坏力-变形曲线 Fig.2Force and deation curves of Brazilian splitting failure coal for coal sample 图 3煤层注水致裂模型示意图 Fig.3Model of water injection induced fracture in coal seam 角度相交[16-17]， 煤体结构异性特征如图 1。 由于煤层中层理和割理的存在，导致煤基体在 各个方向的力学性能存在极大差异。从不同方向取 芯进行巴西劈裂试验 （抗拉强度） 。 其中， x 方向表示 平行层理沿面割理方向， y 方向表示平行层理沿端 割理方向， z 方向表示垂直层理方向。煤样巴西劈裂 破坏力-变形曲线如图 2。 由图 2 可以看出， 在煤样破坏时， x 方向的峰值 破坏最小， y 方向峰值破坏力次之， z 方向峰值破坏 力最大。在拉伸破坏过程中，在经过短暂的弹性变 性后， 煤体进入塑性变形， 此阶段持续变形最长 （加 载力增大缓慢、 变形急剧增大） ， 这主要是因为煤体 内部层理和割理存在导致煤体层面之间滑移，即煤 体层理和割理面属于软弱面。特别是沿平行层理沿 面割理方向， 面割理面密集连续， 塑性变形最大， 破 坏力也最小。 根据理论推导，试样破坏时作用在中心的最大 拉应力可按式 Rt2p/ （πDh） 求得。 式中 Rt为试件中 心的最大拉应力，即抗拉强度， MPa； p 为试件破坏 荷载， N； D 为试件的直径， mm； h 为试件的厚度， mm。不同取心方向煤样抗拉强度计算结果分别为 x 方向 0.81 MPa， y 方向 1.05 MPa， z 方向 1.53 MPa。 这充分表明了由层理和割理导致煤体各向抗拉强度 差别明显， 为煤层钻孔高压注水致裂提供理论依据。 2煤层高压注水致裂微观模型 基于上述煤层各向抗拉强度测试及分析，在此 沿 x 钻孔进行高压注水致裂煤层，煤层注水致裂模 型示意图如图 3， 模型长 100 mm， 宽 60 mm。 微观模型设计层状煤体，层理和割理宽度均为 0.5 mm， 煤体弹性模量 2 GPa， 泊松比 0.2； 接触节理 的弹性模量为 0.2 GPa， 泊松比 0.25。图 3 模型左侧 固定， 右侧施加 6 MPa 侧压； 将下部固定， 上部施加 9 MPa 的地应力。 采用 Abaqus 工程软件， 建立模型， 岩体裂缝数值模型如图 4。 为了便于分析， 分别在层 里面和下部断面设置了 A-A′、 B-B′ 2 条路径分析 煤体内部应力。 3煤体裂纹扩展机制 采用扩展有限元法，同时引入尖端跳跃函数和 裂纹尖端渐进函数，裂纹扩展不再局限于单元边界 而允许在单元内部穿过。裂纹扩展模拟采用弹塑性 本构， 施加均布压力载荷。分别以 1.0、 3.0、 5.0 MPa 注水压力进行数值分析煤体微观致裂机制。 189 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 6注水压力 1.0 MPa 时裂纹扩展过程 Fig.6Crack growth process under water injection pressure of 1.0 MPa 图 5起裂及停止时应力云图 Fig.5Stress cloud chart as crack starting and stopping 3.1裂纹沿弱面起裂与扩展 以 1.0 MPa 注水压力为例，数值分析煤体致裂 及扩展机制， 起裂及停止时应力云图如图 5。 在起裂 开始时， 应力在起裂位置集中， 当裂纹停止时， 在弱 面附近应力较大。注水压力 1.0 MPa 时裂纹扩展过 程如图 6。 图 6 （a） 起裂未开始阶段， 裂纹尖端最大主应力 尚未达到给定值，原始裂纹没有扩展，即没有产生 真实裂纹和黏结裂纹； 图 6 （b） 为裂纹扩展前的初始 裂纹； 图 6 （c） 为损伤开始但裂纹开始扩展阶段； 图 6 （d） 为裂纹停止拓展。 起裂前后剪应力沿路径 B-B′变化如图 7。从图 7 可以看出， 在起裂前， 整个 B-B′面的剪应力均比 较小， 在弱面 DO 的 D 点剪应力还不足以破坏弱面； 在起裂开始时， 在 D 处的剪应力已超过弱面的剪切 强度， 因此弱面从 D 点开始破坏， 随后裂纹一直沿 弱面扩展至 O 点。而后， 由于裂纹尖端能量释放率 没有达到 O 点上部煤体的临界条件， 裂纹无法在上 部煤体扩展， 只能沿层理面 （弱面） A-A′扩展， 当 A- A′面上的剪应力小于煤体弱面剪切强度时， 裂纹停 止拓展。裂纹停止拓展时剪应力沿路径 A-A′变化 如图 8。 3.2注水压力对裂纹扩展影响 增大注水压力至 3.0 MPa 和 5.0 MPa， 在裂纹停 止， 注水压力对致裂影响如图 9。从图 9 可以看出， 裂纹尖端 （O 位置） 能量释放率达到材料临界条件， 190 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 8裂纹停止拓展时剪应力沿路径 A-A′变化 Fig.8Shear stress changes along the path A-A′ as crack stopping 图 7起裂前后剪应力沿路径 B-B′变化 Fig.7Shear stress changes along path B-B′ before and after crack initiation 图 10不同注水压力下裂纹停止拓展时剪应力沿路径 A-A′变化 Fig.10Shear stress changes along path A-A′ as crack stopping under different injection pressures 所以在 O 点上方煤体上产生裂纹并扩展， 该阶段裂 纹尖端的能量释放率一直大于规定值，裂纹不断扩 展。同时， 裂纹还在层理面上不断拓展， 直至剪应力 小于弱面的剪切强度，裂纹扩展停止，不同注水压 力下裂纹停止拓展时剪应力沿路径 A-A′变化如图 10。注水压力越大， 裂纹不仅在弱面 （层理面） 拓展 越远， 而且还在初始裂纹尖端处 （O 点上方煤体） 对 煤体致裂， 且致裂距离较远。 4结论 1） 在压力作用下， 在割理/层理端部形成应力集 中， 当剪应力大于弱面剪切强度， 开始起裂， 并沿弱 面扩展，当剪应力小于煤体弱面强度，裂纹停止拓 展。注水压力较小时， 煤体内裂纹只沿着弱面发展。 2） 当注水压力较大时， 煤体内裂纹不仅沿着弱 面扩展， 而且还在尖端处 （非弱面） 形成较大的剪应 力， 形成新的裂纹扩展路径。 图 9注水压力对致裂影响 Fig.9Effect of water injection pressure on cracking 191 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 作者简介 冉星仕 （1964） ， 四川南江人， 高级工程师， 硕士， 1992 年毕业于中国矿业大学，研究方向为煤矿技术 与管理。 （收稿日期 2020-02-07； 责任编辑 王福厚） 参考文献 ［1］ Fan CJ, Li S, Luo MK, et al. Coal and gas outburst dy－ namic system ［J］ . International Journal of Mining Sci－ ence and Technology, 2017, 27 49-55. ［2］Wold MB, Connell LD, Choi SK. The role of spatial variability in coal seam parameters on gas outburst be－ haviour during coal mining ［J］ . International Journal of Coal Geology, 2008, 75 （1） 1-14. ［3］ 赵宝友， 王海东.我国低透气性本煤层增透技术现状 及气爆增透防突新技术 ［J］ .爆破， 2014， 31 （3） 32. ［4］ 陈娟， 赵耀江.近十年来我国煤矿事故统计分析及启 示 ［J］ .煤炭工程， 2012 （3） 137-139. ［5］ 徐景德， 杨鑫， 赖芳芳， 等.国内煤矿瓦斯强化抽采增 透技术的现状及发展 ［J］ .矿业安全与环保， 2014， 41 （4） 100-103. ［6］ Yue Gaowei, Li Minmin, Wang lu, et al. Optimal layout of blasting holes in structural anisotropic coal seam ［J］ . Plos One, 2019， 14 （6） 1-14. ［7］ 翟成， 李贤忠， 李全贵.煤层脉动水力压裂卸压增透技 术研究与应用 ［J］ .煤炭学报， 2011， 36 （12） 1996. ［8］Deng S S, Guo LH, Guan J F, et al. Research on the prediction model for abrasive water jet cutting based on GA-BP neural network ［J］ . Chemical Engineering Trans－ actions, 2016, 51 1297-1302. ［9］ Olvyanny AG．Mathematical modeling of hydraulic fractur－ ing in coal seams ［J］ ． Journal of Mining Science, 2005, 41 （1 ） 61-67． ［10］ 孟小红．水力压裂技术在成庄煤矿低透气性突出煤 层的应用及效果 ［J］ ．矿业安全与环保， 2019， 46 （4） 95-97． ［11］ 徐刚， 金洪伟， 李树刚， 等．不同坚固性系数 f 值煤渗 透率分布特征及其井下水力压裂适用性分析 ［J］ ．西 安科技大学学报， 2019， 39 （3） 443-451． ［12］ 范超军， 李胜， 兰天伟， 等.不同因素对水力压裂促抽 煤层瓦斯的影响 ［J］ .中国安全科学学报， 2017， 27 （12） 97-102. ［13］ 袁学浩， 姚艳斌， 甘泉， 等.TOUGH-FLAC3D热流固耦 合模拟煤储层水力压裂过程 ［J］ .石油与天然气地 质， 2018， 39 （3） 611-619. ［14］ 李国旗， 叶青， 李建新， 等．煤层水力压裂合理参数分 析与工程实践 ［J］ ．中国安全科学学报， 2010， 20 （12） 73-78． ［15］ 岳高伟， 王宾宾， 曹汉生， 等.结构异性煤层顺层钻孔 方位对有效抽采半径的影响 ［J］ .煤炭学报， 2017， 42 （s1） 138-147. ［16］ 唐鹏程， 郭平， 杨素云， 等.煤层气成藏机理研究 ［J］ . 中国矿业， 2009， 18 （2） 94-97. ［17］ 贾建称， 张泓， 贾茜， 等.煤储层割理系统研究 现状 与展望 ［J］ .天然气地球科学， 2015， 26 （9） 1621. 作者简介 李刚 （1970） ， 辽宁本溪人， 副教授， 硕 士， 主要研究方向为煤矿机械开发和优化分析、 智能制造、 工业生产研究等。 （收稿日期 2019-08-16； 责任编辑 朱蕾） ［14］ 邹春华， 李守彪， 毛东晖.煤矿斜井双模式 TBM 掘进 时围岩坍塌原因分析及防治措施 ［J］ .国防交通工程 与技术， 2014 （10） 74-77. ［15］ 薄志义， 王坡.盾构机自动导向系统测量原理分析 ［J］ .煤炭工程， 2016 （6） 104-105. ［16］ 赵栓峰， 丁志兵， 李凯凯， 等.盾构机掘进煤矿巷道超 前探测系统 ［J］ .煤矿安全， 2019 （2） 117-120. ［17］ 孟祥波， 魏晓龙， 刘恒杰， 等.盾构激光自动导向系统 开发 ［J］ .自动化应用， 2016 （12） 86-89. ［18］ 牛云鹏.盾构施工长距离斜井数字化远程监控系统 ［J］ .工矿自动化， 2016， 42 （6） 80-82. ［19］ 金娅， 朱立平， 黄扬烛.长距离斜井盾构后配套连续 输送机技术研究 ［J］ .工矿自动化， 2017， 43 （5） 65. ［20］ 南清安. 浅析台格庙矿区盾构法施工煤矿斜井全断 面掘进机技术及应用 ［J］ .中国煤炭， 2014 （S1） 130. （上接第 187 页） 192 ChaoXing