【文章內(nèi)容簡介】 不可替代，在相當長的歷史時期內(nèi)仍需保證煤炭的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。 在中國，采深小于 600 米的煤炭資源約為 萬億噸；而采深在 600～ 2020 米的煤炭資源約為 萬億噸，具體如圖 1－ 2所示。 圖 12 中國煤炭資源按埋藏深度分布圖 由于地質(zhì)條件復雜 ,與世界各主要產(chǎn)煤國家相比 ,我國 的 煤礦 安全生產(chǎn)形勢非常嚴峻 ,其百萬噸死亡率如圖 13所示 。 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 2 頁 圖 13 各主要產(chǎn)煤國家的百萬噸死亡率 在我國煤礦安全生產(chǎn)事故中 ,瓦斯災害尤為嚴重。以 2020 年為例 ,全國煤礦發(fā)生的一次死亡 10～ 29 人的重大事故中，事故死亡人數(shù)居第一位的是瓦斯事故，占 ％，具體比例如圖 14 所示。 2020 年全國煤礦發(fā)生的一次死亡 30 人以上的特別重大事故 3 起，全部為瓦斯事故。 圖 14 重大事故死亡人數(shù)比例圖 從中國煤炭在能源消費中的地位和煤炭資源隨采深的分布規(guī)律來看，很多礦井必然將先后進入深部開采。隨著開采深度的增加，瓦斯急劇增大，如煤層瓦斯壓力隨開采深度幾乎呈線性 增長，圖 1－ 5是南桐、天府、六枝等地瓦斯壓力隨采深的變化關(guān)系圖 圖 15 煤層瓦斯壓力與采深的關(guān)系圖 隨著開采深度加大，原來的低瓦斯礦井將轉(zhuǎn)變?yōu)楦咄咚沟V井，甚至于突出礦井，根據(jù)2020 年煤礦瓦斯等級鑒定結(jié)果，全國煤與瓦斯突出礦井有 754座；因此，需要加大對煤與瓦斯突出防治技術(shù)研究的支持力度。 瓦斯事故主要表現(xiàn)為煤與瓦斯突出和瓦斯爆炸兩種形式 ,其中，突出事故尤為嚴重，2020 年全國煤礦發(fā)生重特大突出事故 10 起，占重特大瓦斯事故的 %。 特別是 2020 年10 月 20 日 至 2020 年 2月 14日，短短 115 天 時間里，河南大平、陜西陳家山、遼寧阜新孫家灣連續(xù)發(fā)生 3起死亡百人以上的特大惡性煤礦瓦斯爆炸事故 ，不僅使國家的生命財產(chǎn)遭受了重大損失，也造成了極壞的國際影響。 2020 年國家安全監(jiān)管總局在原《防治煤與瓦斯突出細則》的基礎(chǔ)上，制定并頒布了《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，其中明確指出防突工作堅持 “ 區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補充 ” 的原則。未采取區(qū)域綜合防突措施的，嚴禁進行采掘活動，做到 “ 不掘突出頭，不采突出面 ” 。 我國所有煤礦均為瓦斯礦井，其中國有重點煤礦高瓦斯礦井占 % ，煤與瓦斯突出礦井占 %；其中， 鄭州煤電惠安 礦是一座設計 90萬 t/年的煤與瓦斯突出礦井 ,主采的2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 3 頁 二 1 煤層，具有頂軟、底軟、煤層軟的“三軟”特點。二 1煤厚平均 ，煤層堅固性系數(shù)在 以下 ,瓦斯放散初速度最高達 31,煤的破壞類型為Ⅳ、Ⅴ類 ,煤層原始瓦斯含量最高為 3m /t, 最大瓦斯壓力 , 煤 層 透 氣 性 系 數(shù) 為 ～ 2m /(M 2Pa .d),衰減系數(shù) β= 1，屬難抽放煤層 。 目前，最有效的瓦斯治理方法就是瓦斯抽放；為此，國內(nèi)外很多專家、學者和工程技術(shù)人員開展了大量的研究工作，已形成多種抽放方法，這些研究成果為礦井瓦斯治理作出了重要貢獻； 惠安 煤礦在 2020 年建立了礦井瓦斯抽放系統(tǒng)，主要抽放措施為邊掘邊抽、本煤層預抽及頂?shù)装邈@孔瓦斯抽放等；但是，煤層的低透氣性嚴重制約采前抽放（主要指本煤層預抽）效果。 基于當前對突出的理論認識，目前防突措施都遵循： ① 卸壓、 ② 排放瓦斯、 ③ 提高煤體穩(wěn)定性、 ④ 改變煤體性質(zhì)、 ⑤ 改變采掘工藝五大基本原則，主要有：開采保護層、區(qū)域性瓦斯預抽、煤層注水、金屬 骨架、超前鉆孔、深孔注水、水力壓裂、水力沖孔、水力割縫、深孔松動爆破和深孔控制爆破等措施，可分為兩大類，一類是煤層層內(nèi)卸壓增透技術(shù)，另一類是煤層層外卸壓增透技術(shù)。 目前采取的煤層卸壓增透措施，以保護層開采技術(shù)為代表，基本趨于成熟。但是 ， 惠安 礦的二 1煤層目前不具備保護層開采條件，因此，就需要采取層內(nèi)卸壓增透技術(shù)措施 。 水力壓裂是一種常用的 煤層卸壓 增透措施，該技術(shù)已經(jīng)開始在我國大中型煤礦中廣泛應用，并取得了良好的效果； 通過實施 水力 壓裂增透，使工作面前方壓裂增透區(qū)域的煤體卸壓，大幅度提高煤層透氣性，瓦斯得到釋放， 工作面突出危險性得到有效消除，煤塵、沖擊地壓危險性有效降低 。 不同的地質(zhì)條件下，水力壓裂工藝參數(shù)和效果也不一樣，針對 惠安 礦現(xiàn)有煤層地質(zhì)條件，有針對性的進行水力壓裂技術(shù)研究；項目研究成果不僅對 惠安 礦的瓦斯治理有著非常重要的意義，而且對地質(zhì)條件類似礦區(qū)的瓦斯治理工作有重要借鑒意義。 項目研究內(nèi)容 （ 1）水力壓裂煤體裂縫起裂、擴展和閉合機理； （ 2）水力壓裂對煤體物性特征影響的實驗研究； （ 3）水力壓裂增透消突效果考察及評價。 項目研究目標 （ 1）理論計算分析煤體裂縫起裂壓力、擴展條件和圍巖應力 作用下閉合條件，為水力壓裂技術(shù)提供理論依據(jù)。 （ 2）建立合理的水力壓裂裂縫擴展模型，為水力壓裂技術(shù)參數(shù)優(yōu)選和設計提供依據(jù)。 （ 3）對水力壓裂前后鉆孔的瓦斯抽采濃度、抽采量進行考察、對比與分析。 項目研究方案與技術(shù)路線 研究方案 本項目采用理論分析、數(shù)值模擬、實驗室實驗和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法來進行研究，以水力壓裂工藝參數(shù)為研究核心。理論分析煤體裂縫起裂壓力、擴展條件和圍巖應力作用下閉合條件；在實驗室通過實驗研究煤體硬度、滲透率、煤的吸附性、煤的濕潤性及水對煤吸附解吸性能影響；采用數(shù)值方法建 立合理的水力壓裂裂縫擴展模型；現(xiàn)場試驗考察分析水力壓裂前后鉆孔瓦斯抽采濃度、抽采量。 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 4 頁 技術(shù)路線 本項目的研究技術(shù)路線如圖 16 所示。 圖 16 項目 研究技術(shù)路線圖 水力壓裂機理 水力壓裂煤體物性特征實驗 煤體裂縫起裂壓力 煤體裂縫擴展條件 煤體裂縫閉合條件 撰寫研究報告 水力壓裂數(shù)值模擬 煤體裂隙擴展 煤體裂隙閉合 現(xiàn)場試驗考察 鉆孔瓦斯抽采濃度 鉆孔瓦斯抽采量 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 5 頁 2 水力壓裂機理 煤層的地質(zhì)結(jié)構(gòu) 早在 19 世紀人們就已經(jīng)認識到煤中裂隙的存在， 20 世紀的前期就有關(guān)于煤中裂隙的研究，但進展緩慢。直到 20世紀 60 年代，煤田地質(zhì)學領(lǐng)域?qū)γ褐辛严兜难芯吭诜椒ê屠碚撋线_到了相對系統(tǒng)、成熟階段。 煤體內(nèi)裂隙、孔隙及其分布狀況始于 20 世紀 70年代的煤層氣勘探開發(fā)，使煤中裂隙的研究產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。近年來，關(guān)于煤中裂隙的研究成果大量出現(xiàn)。我國于 20 世紀 80年代末才對美國的現(xiàn)代煤層氣地質(zhì)學理論進行系統(tǒng)的引進、消化、吸收，在短短的幾年內(nèi)關(guān)于煤中裂隙的研究取得了顯著進展。煤體內(nèi)有無數(shù)的裂隙、孔隙，按成因、存在狀態(tài)和分布情況可有如下五種。 （ 1）層理 煤層的層理面是在成煤過程中形成的各種煤巖成分的分界面。層理雖然沒有直接使煤體或使煤體和圍巖間斷裂開來，但使煤體沿層理方向產(chǎn)生一個弱面，注水后，水容易從其壓入通過。所以，在研究水力壓裂時，將層理納入裂隙 討論。 層理由于形成環(huán)境不同，其形態(tài)各異，大致分成三類，即水平層理、波狀層理和斜層理。水平層理層的形狀為直線狀，互相平行，并且平行層面；波狀層理層面成對稱或不對稱，規(guī)則或不規(guī)則助波狀曲狀曲線，其總的方向平行于層面；斜層理是由一個或一個以上的斜層系所組成、其特征是層系中的細層均以一定的角度與層系界面相交。層理有連續(xù)性與非連續(xù)性之分。層理面?？沙蔀橐粋€連續(xù)通道，使水到達整個煤層的待濕潤范圍。 （ 2）內(nèi)生裂隙 煤體的內(nèi)生裂隙是因煤層在成煤和變質(zhì)過程中，受上覆巖層壓力和溫度的作用，使煤炭中凝膠化物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)壓緊并 重新排列，體積收縮產(chǎn)生內(nèi)張力，而形成了裂隙。 它的形成與地質(zhì)構(gòu)造運動和采動影響等外界動力無關(guān)，因此稱為內(nèi)生裂隙。在各種煤巖成份中，以鏡煤和亮煤中的內(nèi)生裂隙最為發(fā)育。它通常垂直于層理面，裂隙面平坦而光滑，往往呈兩組互相垂直的裂隙組，其中裂隙密度較大的一組稱為主裂隙組，另一組稱為次裂隙組，如圖 2－ 1 所示。內(nèi)生裂隙的發(fā)育程度，是用煤體某一斷面上沿層理方向每長度內(nèi)肉眼觀察的裂隙數(shù)目來表示的。它和煤的變質(zhì)程度緊密相關(guān)，常常用以判別煤的變質(zhì)程度，同時也是影響煤體注水難易的一個因素。 層理面； 主內(nèi)生裂隙組； 一次內(nèi)生裂隙組； 外生裂隙； 鏡煤或亮煤 圖 21 煤體內(nèi)生裂隙與外生裂隙 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 6 頁 （ 3）外生裂隙 煤層形成后，受地質(zhì)構(gòu)造運動的剪切作用，按受力方向和強烈程度不同，產(chǎn)生了與層理面斜交的外生裂隙。它能產(chǎn)生于各種煤巖成份或各種煤巖類型的煤體中。外生裂隙常與層理面斜交成不同的交角，可分為幾組，常見的有 45o 的斜交外生裂隙。 裂隙面上由于在擠壓過程中產(chǎn)生剪切滑動，常呈擦痕而凹凸不平。主要的外生裂隙組方向常與附近的斷層方向一致。外生裂隙內(nèi)常有次生裂隙礦物或破碎的煤粉（原生煤塵）充填。外生、內(nèi)生裂隙和層理面相互交錯， 使煤體沿這些裂隙破裂時，構(gòu)成一定的幾何形狀，這就是常稱的“節(jié)理”。常見的節(jié)理有板狀、立方體、平行六面體等。 （ 4）次生裂隙 煤體在采落之前，受本層或上鄰近層開采的超前支承壓力的作用，或受鄰近分層爆破作業(yè)的影響所形成的裂隙稱為次生裂隙。它是由于人的開采活動造成的煤體裂隙，因此，和次生裂隙相對應，內(nèi)生及外生裂隙是在煤體未受開采影響之前形成的，可統(tǒng)稱為原生裂隙。 （ 5）煤體內(nèi)的細微孔隙 在煤層的生成及其后的變質(zhì)過程中，由于揮發(fā)物質(zhì)、瓦斯和水分的不斷瀉出，煤體中自然形成了各類細微孔隙。這些細微孔隙大多是互相連通的， 只是個別的孔隙系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)。煤體中孔隙的直徑有的小于液體分子直徑，有的大于瓦斯分子直徑。 煤層在透水性質(zhì)上可以看成是具有兩類孔隙的介質(zhì)。一類是裂隙系統(tǒng)，它具有使水通過并儲存一些水的作用；另一類使被這些裂隙所分割的煤塊孔隙。顯然，裂隙系統(tǒng)起了一種渠道作用，水由它進入各種煤塊孔隙。按照煤體中各類孔隙的直徑大小可以將孔隙分為五類，如下表 。 表 按直徑大小孔隙分類 參數(shù) 大微孔隙 微孔隙 半微孔隙 中微孔隙 細微孔隙 直徑（ m） 104 104~106 106~107 107~108 108~109 煤體的各類裂隙的發(fā)育程度，一般用單位長度或單位面積內(nèi)所存在的裂隙條數(shù)來表示，而煤體的孔隙發(fā)育程度（包括全部裂隙的體積在內(nèi)）則以孔隙率表示。 煤層裂縫的形態(tài) 煤層裂縫的形態(tài)是指在水力壓裂作用下所產(chǎn)生裂縫的空間幾何形狀。裂縫形態(tài)客觀地由地層條件和巖石性質(zhì)所決定，包括原地應力、巖石強度 (抗拉強度、抗壓強度等 )、巖石變形性質(zhì) (彈性模量、伯松比等 )、巖石滲透性質(zhì)等。而壓裂施工作業(yè)參數(shù)包括壓裂液粘度等性質(zhì)和注入量、注入時間、注入速率等， 則可以在一定程度上改變裂縫形態(tài)。 (1)當上下圍巖的破裂強度明顯大于煤層的破裂強度，且煤層與上下圍巖交界處連續(xù)性好，無明顯水平分層界面時，裂縫不能突破上下圍巖而只能限制在煤層中擴展，孔在煤層與上下圍巖交界處不能發(fā)生兩縫面的相對分離滑移，則裂縫高度恒定，即為煤層的高度。它的橫截面呈橢圓形，稱之為恒高橢圓形斷面縫，具體如圖 2－ 2所示。 (2)當上下圍巖的破裂強度明顯大于煤層，且煤層與上下圍巖交界處連續(xù)性差，水平分層界面明顯時，裂續(xù)不能突破上下圍巖也只能限制在煤層中擴展，孔在煤層與上下圍巖交界處兩縫面能產(chǎn)生相對分 離滑移，則裂縫高度恒定。它的橫截面呈矩形，稱之為恒高矩形斷面縫，具體如圖 2－ 3 所示。 (3)當煤層厚度很大，超過壓裂裂縫可延伸距離；或者上下圍巖與煤層的地應力和巖2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 7 頁 性條件很接近時，裂縫沿徑向放射擴展的程度比較均一，因而形成全方位圓盤狀裂縫，該圓盤形裂縫的中心軸為水平軸，裂縫直立，稱之為徑向擴展裂縫，具體如圖 24所示。 圖 22 恒高橢圓形斷面裂縫 圖 23 恒高矩形斷面裂縫 圖 24 徑向擴展裂縫 (4)裂縫高度在上下圍巖中有所擴展，裂縫橫斷面在進入上下圍巖后呈劈尖形。形成這種裂縫的地層及 巖性條件是：上下圍巖的破裂強度一定程度大于煤層。從形狀和形成條件看，這種裂縫介于前述的恒高縫型與徑向擴展型裂縫之間，或者可認為變高縫型裂縫是一種從恒高縫型向徑向擴展型過渡裂縫，具體如圖 2－ 5所示。 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 8 頁 圖 2－ 5 變縫高裂縫 煤層破裂壓力 煤層裂縫的擴層是自孔壁開始逐漸向地層中延伸的。在開始注入壓裂液使孔壁發(fā)生開裂的瞬時壓力稱為初始破裂壓力 (破裂壓力 )；之后維持裂縫繼續(xù)擴展的壓力稱為延伸壓力，由于近孔眼區(qū)域的應力集中，使破裂壓力往往大于延伸壓力。掌握破裂壓力的量值對分析研究煤層的壓裂規(guī)律、選擇確定 壓裂施工設備和規(guī)程無疑是十分重要的。 破裂壓力等效模型 理 論方法求取初始破裂壓力的基本過程是，先根據(jù)原地應力場和孔眼內(nèi)液體壓力，用彈性力學計算在孔