煤岩水压裂缝扩展行为特性研究.pdf

第 2 3卷第 2 O期 2 0 0 4年 l 0月 岩石力学与工程学报 C h in e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r in g 2 3 2 0 3 4 8 9 3 4 9 3 Oc t ． ， 2 0 0 4 煤岩水压裂缝扩展行为特性研究木 邓广哲王世斌黄炳香 西安科技大学西安7 1 0 0 5 4 摘要对坚硬煤体预裂中存在的问题，采用地应力场控制下水压致裂的方法，通过来自铜川矿区的九块大型煤块 试件，研究了水压裂缝扩展行为的控制参数。在此基础上对水压裂缝的形成、扩展与煤体渗透性改变、水压作用 的关系，进行了系统试验研究。克服了常规小试件试验的局限性，建立了起始渗透压力和最大破坏压力与煤样裂 缝扩展变化过程的对应关系，研究了水压裂缝破坏煤体结构的力学机制，为解决煤岩体介质材料中水压裂缝扩展 行为控制提供 了科 学依据 。 试 验表明，本 文结果中水压裂缝 扩展控制参数 对改善顶 煤预裂设计效果具 有实际意义 。 关键词岩石力学，水压致裂，裂缝扩展，模拟试验 分类号T D 8 2 3 ． 4 9 文献标识码A 文章编号 1 0 0 0 ． 6 9 l 5 2 0 0 4 2 0 ． 3 4 8 9 ． 0 5 RES EARCH oN BEHA VI oR CHARACTER OF CRACK DEVELoPM ENT I NDUCED BY HYDRAULI C F RACTURI NG I N CoAL． RoCKM AS S De n g Gu a n g z h e ， Wa n g S h i b i n g ， Hu a n g Bi n g x i a n g a l l U n i v e r s 妙 o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，X i a n 7 1 0 0 5 4 C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e p r o b l e m e x i s t i n g i n h a r d c o a l ma s s wi t h p r e f r a c t u r i n g ， u s i n g t h e me t h o d o f h y d r a u l i c fra c t u r i n g c o n t r o l l e d b y s t r a t a s t r e s s fi e l d ，t h e c o n t r o l p a r a me t e r s o f c r a c k d e v e l o p me n t i n d u c e d b y h y d r a u l i c fr a c t u r in g a r e s t u d ie d b y n i n e l a r g e c o a l s a mp l e s w i t h h a r d n e s s f 3 ．O ～3 ．5 ，w h i c h c a m e fr o m t h e T o n g c h u a n mi n i n g a r e a ． S y s t e ma t i c e x p e r i me n t s we r e c a r r i e d o u t f o r r e s e a r c h i n g t h e r e l a t i o n a mo n g f o r ma t i o n a n d e x t e n s i o n o f t h e h y d r a u l i c c r a c k，c h a n g e o f c o a l ma s s p e r me a b i l i t y ， a n d h y d r a u l i c p r e s s u r e e f f e c t ．Th e l i mi t a t i o n o f c o n v e n t i o n a l t e s t wi t h s ma l l s a mp l e s wa s o v e r c o me ， a n d t h e c o r r e s p o n d e n c e wa s b u i l t b e t we e n o r i g i n a l o s mo t i c p r e s s u r e a n d ma x i mu m d e s t r u c t i o n p r e s s u r e d u r i n g c r a c k e x t e n s i o n o f c o a l s a mp l e ． Th e me c h a n i c a l me c h a n i s m o f d e s t r u c t i n g c o a l ma s s s t r u c t u r e b y h y d r a u l i c c r a c k i s s t u d i e d，a n d t h e s c i e n t i fi c b a s i s i s p r o v i d e d for b e h a v i o r c o n t r o l o f c r a c k d e v e l o p me n t i n d u c e d b y h y d r a u l i c f r a c t u r i n g i n c o a l r o c k me d i u m． T h e e x p e r i me n t s i n d i c a t e t h a t t h e c o n t r o l p a r a me t e r s o f c r a c k d e v e l o p me n t i n d u c e d b y h y d r a u l i c f r a c t u r i n g h a v e p r a c t i c a l me a n i n g for i mp r o v i n g t h e e ff e c t o f p r e f r a c t u r i n g d e s i g n for h a r d t o p c o a 1 ． Ke y wo r d s r o c k me c h a n i c s ， h y d r a u l i c fra c t u r i n g，c r a c k d e v e l o p me n t ， s i mu l a t i n g t e s t 引 我国的厚～特厚煤层开采中，已经广泛推行了 综采放顶煤技术 。对坚硬顶煤能否有效进行软化， 是综采放顶煤技术的关键⋯。水力致裂技术已经被 广泛应用于现代石油工业、地热资源开发、核废料 储存等领域，显示 出广泛的 业应H j 价值[ 2 - 5 J 。煤 层 水力致裂软化技术被作为是解决高瓦斯坚硬厚煤 层综采放顶煤中顶煤软化的关键技术I6 j 。白 l 9 9 7 年 以来的几年实践中，特别在高瓦斯坚硬特厚煤层 综放 开采 中，为现场采煤 生产 赢得 了显 著 的技术 2 0 0 3年 1 月 I 4日收到初稿．2 0 0 3年 6月 I 3日收到修改稿。 霍英东教育基金会项 H 7 1 O 7 6 和陕西省教育科学专项项 目 0 0 J Q2 5 4 资助课题。 作者 邓广哲 简介男，1 9 6 6年生，博士，1 9 8 8年毕业于西安科技大学地下工程专业，现任教授．主要从事采矿与岩石力学方而的工作。E - ma i l D e n g g z x u s t e d u c n 。 维普资讯 3 4 9 0 岩石力学与工程 学报 2 0 0 4 钲 经济效益【6 ’ n 。煤层水力致裂软化技术工艺，是充 分利用地应力条件，以增加顶煤致裂裂缝数目，并 且严格地控制其致裂裂缝发展形态为主要特征的新 型压裂工 ⋯。 并且通过压裂和软化作用途径， 以达到弱化煤体、 改变顶煤的整体结构和力学特性， 达到预先弱化顶煤的 目的。所有这些 内容 已经远远 超出了经典水压致裂理论的范畴【3 引 。研究水压致 裂机理，无论对理解顶煤弱化基本原理，还是对于 工程应用 ，都具有 重要 的科学意义 。但对大多数 煤层 而言 ，煤 体中的液体运动 是依靠压力推动 的 结果 叫 。注 水时压力水对煤 体的劈裂 和贯通裂 隙作用，引起煤体结构裂隙扩展变宽和通道网络 重组等一系列变化，煤体中的容水空间在不断扩 大 仉 刚 。 这种特殊的渗流形式， 表现出煤层渗透 性系数在不断变 “ 引 。 现阶段，由于对水压致裂 机理认识上 的局 限性，在分析裂缝扩展规律时往往 采用理想化假设，常常导致压裂作业的结果与实际 情况有很大差异，为了从机理上弄清煤体内部孔隙 水压力推动下的裂纹孕育、扩展行为及破坏形态以 及水压力和渗透性变化等直接关系弱化效果的行为 参数，本文采用铜川 I 焦坪矿区新鲜大煤样 硬度 f 3 ． 0 - - ． 3 ． 5 ，在模拟地应力场 中进行了钻孔水压裂缝 扩展行为规律的试验研究 J 。 2 试验设计 2 ． 1 煤样 的采集与加工 采用来自铜川 I 焦坪 3 个矿区 4 煤层的新鲜煤样 样品 ，共计 9块 。在试验室将其加工成不同规格 4 2 8 mmX2 6 0 mmX2 8 0 mm， 3 5 0 mmx 2 5 0 mmX2 9 0 mm， 4 0 0 mmx 2 5 5 mmx3 5 5 mm，4 6 6 mmx5 0 4 mmx 2 8 6 mm。4 6 0 mmX3 3 l mmX3 l 9 mm ，4 2 5 mmx 4 0 7 mm X3 6 6 mm ， 5 7 2 mm X5 7 3 mmX4l 5 mm， 6 0 5 mmX 3 8 7 mmx 5 2 0 mm，4 5 0 mmx 5 8 9 mmx 3 7 9 mm 的正 六面体。煤样被分成 2组，l 组保持自然状态特性 ， 另 l 组在 9 0 ％空气湿度、2 0℃室温中养护 4 8 h ， 致使试件达到饱水状态后进行试验I l 引 。 水压致裂钻孔孔径取 3 0 m m。考虑边界效应， 钻孔长度一般取煤样此方向长度的2 ／ 3 ，具体长度依 据煤样尺寸确定。封孔采用 4分镀锌钢管，环氧树 脂胶结 ，并与泵站连接。 2 ． 2 试验方法 试验机加载模拟上覆岩层重力， 即难直应力 ， 侧限压力通过侧限装置提供。考虑到实际中煤样处 于三维应力状态 ， 比处于试验模拟的地应 力 状态的强度要大，煤样加载 取 3 0 ％ - - 5 0 ％的埋深 岩重，侧限压力依据采样点煤层泊松比大小确定， 数值由压力传感器测定并指导调整。加载采用分级 方式，每次递增 5 或 l 0 k N。在试样的受载面设计 一 层标准砂均匀压垫层，试验机压头作用在橡胶垫 上，通过标准砂垫层作用于煤样上。采用加压泵提 供水压动力，并 自动跟踪记录。用垂直和水平方向 位移传感器测试煤样 的表面位移。由于脆性岩石破 裂有声，可通过破坏声音测试水压裂缝发生、扩展 过程 ， 同时可观测到试件表面出现 的裂缝发展过程 。 测试系统如图 l 。 图 l 煤样测试系统 Fi g 、 l T e s t i n g s y s t e m o f c o a l s a mp l e 3 试验结果分析 3 ． 1 裂隙煤体 的渗透性与变形特点 在水力致裂过程中， 煤体在复合应力的作用下 ， 出现复杂的渗透性变化。煤体渗透性随压力的改变 规律试验，通过模拟原始应力场中大试样的水压结 构改造进行。在垂直地应力为最大主应力时，煤体 的受力与渗透性变形过程，对应的试样所反映出的 注水压力． 应变关系如图2 。图中给出了与最大主应 力平行方向的两组正交侧面上变形与注水压力变化 的对应关系，侧面变形分别以钻孔轴向和径向方向 表示。煤体渗透性随注水压力变化过程中，随着时 间延长，裂缝缓慢增长。当注水压力接近临界破坏 值 时，随注水量和渗透性的增加，裂隙扩展速度加 快，能够贯通煤体表面全程区域。渗透性改变的原 囚I 7 u J 为其一是煤层物理力学性质的改变；其二 是裂隙发育扩展所产生的结构改造。 在模拟地应力场中的水平钻孔水压力作用下， 试件的注水压力引起的破坏与钻孔轴向方位比较， 表现 出 3种情形见 2所示。笫 1 种情形是与最大 主应力方 向平行的两组侧面变形规律 相似 ，发生破 坏程度和形成裂缝数量相当，其对应试件变形 维普资讯 第 2 3 卷第 2 0期 邓广哲等．煤岩水压裂缝扩展行为特性研究 3 4 9 1 应 变／ a 应变／ d 山 妖 出 餐 0 图 2 渗透性变化过程试件应变与注水压力的关系 F i g ． 2 Re l a t i o n c u r v e s o f h y d r a u l i c p r e s s u r e a n d s t r a i n o f c o a l ma s s d u r i n g t h e v a r i a t i o n a l c o u r s e o f p e r me a b i l i t y 与注水压力变关系如图 2中 a ， b ；与第 1 种情形 类似，第 2 种情形就是侧面变形规律相似，不同之 处在于 2组侧面上形成破坏裂缝数量与程度不同， 如图 2中 c ， d ， f 第 3种情形不同于前 2种， 即试件两侧面变形规律 、破坏裂缝数量与程度均有 显著差别，如 图 2中 e 所示，表现出 1 组侧面发生 变形破坏裂缝 ，而在另 1组侧面上不发生。 3 ． 2 煤体裂缝孕育扩展过程水压变化分析 大量理论研究表明，裂隙岩体的渗透性系数与 注水压力具有非线性关系l I “ J 。渗透压对煤体的结 构改造 ，存在 2个临界值，即初始注水压力和最大 破坏压力。其中，初始注水压力实质是克服初始注 水时因煤体对水的阻抗作用而形成的微流量的渗透 对应的压力而最大破坏压力是指渗透压力击溃煤 体裂隙结构系统的极限压力值。当注水压力一旦达 到最大破坏压力时，作为多孔介质的煤岩体中渗流 系统即被破坏，水在煤体中运动将不再是渗流的形 式，而是沿煤岩体中一个击溃的压裂通道作层流运 动，出现裂缝扩展和渗透压 “ 短暂卸载 ”现象 。本 次试验 以水压裂缝发生、扩展行为分析为 目标 ，观 测最大破坏压力变化。结果表明随着煤样吸水量 增加和裂缝扩展过程中试件的变形，钻孑 L 注水压力 出现 了阶跃递增式的变化过程 ，试件最大破坏压力 与相应变形关系见 3所示。从试验发现注水压力 变化基本呈现有二级或三级的递增方式，与裂缝扩 展 的理论分析结果一致【 6 ． 7 】 。水压裂纹在硬脆 的煤 质试件中的扩展实际上是有声过程。利用声音监听 的结果以及观察试样光滑表面可见裂缝发生过程与 渗透压力的递增规律，对比分析发现 ，破坏压力递 增过程与钻孔裂缝起裂 、扩展相对应 ，即对应为煤 体孔壁裂缝起裂压力、裂缝二次扩展压力或三次扩 展压力 。裂缝不同的破裂阶段分别对应着不同压力 值 。 试验中压力分级平均值分别为4 ． 5 ， 5 ． 4 ， 6 ． 5 MP a 。 在实际工程 中，初始注 水压力主 要受到煤层 固有 裂缝性质的影 响 ，还受到煤体瓦斯压力的影响。 大量实践已经证明，对于注水煤层而言 ，初始注水 压力很小，一般低于 3 MP a 。这种现象可 以通过煤 体裂隙的毛细管力的作用得到解释【 l引 。 3 ． 3 裂缝扩展基本特点 试验中，水压裂缝的发生与扩展基本上都是沿 着最大主应力方 向所形成的裂缝倾角与煤层中裂 缝原生倾角有关，但与最终能够形成 的破裂面并不 重合 。几乎所有试件形成的裂缝偏离最大主应力方 向的偏角不超过 1 0 。 。 破裂面形成过程中，裂纹首先从注液孔壁周围 煤体开始 ，如图 4 ，并向远场最大主应力的方向延 伸。最大破坏压力的分级变化，也使得裂缝分级扩 展 ， 第一级扩展长度约相当于孔径的 2 ～5倍，可认 为是起始扩展阶段 ，裂纹沿着与地应力场 中最大主 应力方向轴线带有小偏角的方向延伸， 如图 4 a ， b ； O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 O 吼 4 3 3 2 2●●O O 维普资讯 岩石力学与工程学报 2 0 0 4 拦 破 坏压力P MP a B 母c 破坏区力／ M P a c b 图3 煤样最大破坏压力与试件位变的关系 F i g 3 R e l a t i o n s h i p o f f r a c t u r e p r e s s u r a r L d s t r a i n o f c o ai s a mp l e 随着最大破坏压力的升高，裂缝 出现不协调的加宽 增容 ，其再增长临界压力与最l大破坏压力 的第二级 相对应 。由于破裂裂缝需在地应力场环境 中形成． 所 以在孔压不变的情况下 ，裂缝随煤体的渗透性变 化呈现出缓慢增长现象，即出现了煤体渗透性的时 问效应和空间效应现象．如 图 4 c 。裂缝扩展达到 试件 2 ／ 3高度时，破裂面的生成更多地依赖丁外荷 载压力作用。最终破裂面基本沿最大主应力方向完 成。试验中，最终破裂面基本上与煤层 自 然层理倾 角方位斜交，主要受到渗透压控制。当渗透压力接 近最大破坏临界值时．随注液量的递增 ．裂隙扩展 速度较快，能贯通煤体表面全程宽度 。 ‘ c d 图4 裂缝扩展情况 F i g ． 4 Ch a r a c t e r i s t i c s o f c r a c k d e v e l o p me n t 3 ． 4 煤样的破坏形态分析 破裂面有两个基本扩展方向，即近似平行于最 _人主应力方向，而垂直于与最火士应力平行的 2组 正交侧面上， 以钴孔轴向和径向来表示， 如 5 a ～ c 所示。具体发生破坏时，在一个观测面上有时山 现 2组以上近似平行的裂缝如嘲 4 d ，而其中埽终 能够形成完整破裂面的裂隙仅为一部分 ，另外一部 分裂缝 随注水停止而发生弹性卸载、c j ] 合 在地应力与渗透压复台应力场中，生成的水压 裂缝 的另一扩展特 征，是首先沿着试忭最小抵抗线 方 向贯通。水力致裂的结果使得煤体破坏裂缝沿互 相垂直的方向发展过程中，实现了煤体被切刮破碎 的 目的。煤样表面山现的主要裂缝数量统计如幽 6 所示 。试件平均切割块数为 6 ． 3块 试验观测到， 水压裂缝具有弹性变形性质，渗透压可以使变形裂 缝有限度地恢复。 裂缝贯通破坏后， 其 表面较平整 ， 与煤样的各向同性性质有关 。 4 结论 1 采} _} j 试验机加载来模拟上覆岩重条件 ，通 过对坚硬煤层大煤块原位水力致裂裂纹孕育与扩展 研究．较真实地给出了复合应力场中煤样渗透性变 化车 裂缝扩展行为规律 煤样的渗透性变化与破坏 裂缝发展过程关系密切 。 2 在复合应力场 中．渗透压变化与煤层物理 力学性质改变 I 裂隙孕育扩展所产生的结构改造作 刚 一致。该过程可分为 2至 3个阶段 ．即孔壁煤体 裂缝起裂、裂缝扩展年 破裂发展；这过程与水压变 化相对应，即初始注水压力和最_人破坏压力 在试 验 中最大破坏压力山现裂缝起裂压力 、裂缝扩展压 力或三次扩展压力。 维普资讯 第2 3卷第 2 O期 邓广哲等． 煤岩水压裂缝扩展行舟特性研究 3 4 9 3 翻5 破坏裂缝与破裂面形态 F i g 5 17 e a t L t r e o f d a n mg c r a c k a n d d a ma g e f a c e 2 5 2 0 娄” l 0 O 5 0 O 矿 2矿 3矿 6 煤伴诎坏裂1 求统计分布 F i g ， 6 S t a t i s t i c d i s t r i b u t i o n o f d a a l a g e c r a c k i n c o a l M L S S 3 在裂缝扩展过程 ， 试仆同一表面可以出现 2 组以上可见平行裂缝，而其中屉终能够形成完整破 裂面 的裂隙仅为一部分，另外一部分裂缝因渗透压 “ 短暂卸载”发生弹性闭台。水力致裂的结果使得 煤体破坏裂缝沿互相垂直的方 向发展过程，从而实 现煤体的切割破碎的目的。 4 实践证明．水力致裂预先改造坚硬煤体整 体性结构和力学特性．协同矿山压力的作用．能够 实现煤体的破碎软化 目的。 参 考 文 献 I 靳钟铭．弓培林．靳文学 煤体压裂特性研究 】 岩石力学与工程 学报2 0 0 2 2 1 t 1 7 0 7 2 2 oi o le y J L，t t o gi te h SA Ni e ,r o d eDE．ts a l Re c e n t a d v 椰i n h y d r a u l i c f mc t u r i n g [ R l S P E Mo n o g r a p h r 1 9 8 9 3 K i n gHM． Wil l i s DO M扰 呻 惜 o f 如毗 c 怕 嘲 “I r a v ,s Am I n s 1 ． M i n En g ng． 1 9 9 5 ， 2 1 0； I 5 3 ～ 1 6 8 4 阵勉． 鹿飞．垒衔 丈尺寸真三轴水力压裂模拟与骨折[ J 】 岩石力学与工程学报 ．2 o o O ．1 9 埔 8 6 8 ～8 2 5 牛锑悼 登艇厚顶扳和坚硬厚煤层条件下的顶扳控 制机理与实 殴[ A】见 中茸岩石力学与工程学台． 煤炭科学研究总院北京开采 所． 地下开采现代技术理论与实践I c 】北京煤炭工业 出版杜 ， 2 0 o 2 6 广哲． 黄炳香， 石增武等 节理臆性煤层水力致裂拄术与应删[ J 见中屠岩石力学与工程学会 中国岩石力学与工程学台第七礁学 术大会论文集【 c l北京 科学技术d { 版杜，2 O { 3 2 ，6 3 6 6 3 8 7 邓广哲． 王世斌．郝忠群 铜川北区坚删堞悼水力致裂技术参数模 拟研究[ R l西安 西安科技学院， 2 0 0 1 8 黄荣樽 术压裂缝的起始与扩展[ J 1 ． 石汕勘挥与J F 教．1 9 g 1 ． 5 6 2 7 3 9 Wa t p i n s k i NR．Cl a r k J A-S dmn i d t J e t a l L a b o r a t o r yi n v e s l ig a l i o n 0 n t h e e ff e c t o f In - s i s t r e s s o n h y d mu l i c舳 c t u r e c o n t a in me n t [ R ] S P E】 9 8 3 4， l 9 8 2 ． 5 5 ～6 6 1 0 Me d ti n W L ． M a s s c L L a b o r a l o ry e xp e r i me n t s i n F r a c t u r e I a g a t io n [ R ]S P F ．J 1 0 3 7 7 ．I 9 8 4 ．1 6 1 ～ 1 8 8 I 】 冷雪峰． 唐舂安， 韬天浦萼． 糟石承压 跛裂过程晌数谯模拟分析 1 】 ] 东北大学学报 自 然科学版 ，2 0 0 2 2 3 0I 1 1 0 5 ～】 1 0 7 I 2 王晓泉- 陈作． 姚飞 水力压裂技术现状及发展展望 ]钻来 工艺r 1 9 9 8 2 1 2 l _I 8 ～3 2 】 3 耶厂哲 煤层裂龋 c 应力场拉 滓潍特性的模拟试验研宄口 ]煤炭 学报，2 0 0 0 ，2 旬5 9 3 ～5 9 7 I 4 邛广酋 封 } jj 型煤层裂踪地应力场控制水压致裂特性[J 】煤炭学 报．2 0 0 1 ．2 5 】 ；4 7 8 4 9 2 1 5 扬无l鹕． 唐存安． 朱万硪等 岩石谧裘过 洛流 与廊力悄合升析 岩土工程学报，2 0 0 】 ．2 3 4 }4 8 9 4 9 3 l 6 张金才t 刘夭采． 张玉卓 裂瞬岩体潘j 鲎 特} 正 的研究[ J ]蝶炭学报． 1 9 9 7 2 2 S 1 4 8 1 ～4 9 5 1 7 碌广付．豫噩奇 人工水压裂隙及津境特饪丹折f 】见 西安科技 学院2 0 0 1 年学术大会论文集I c l西安 n】 一2 0 0 1 【 叮～l 0 6 l a 赵阳升． 橱栋． 帮垄觏等 三椎盘九柞m下岩石裂缝水洛流物性 规律的试验研究[ -q 中国科学 E辑l J 1 9 9 9 ．2 9 I 8 2 8 6 l 9 挪贡越-庞] ￡ 。际；白喜 东力压裂楼拟试验巾的相似准m Ⅲ 石 油丈学学报 自然科学版 ，2 0 0 0 ，2 4 0 4 5 4 8 维普资讯