水力压裂时煤层缝裂的扩展分析

2022-09-11

1.水力压裂技术简介

(1)水力压裂技术概述

水力压裂是指裂纹由于其内部液体压力的作用而开裂并扩展的过程,由于应用领域的不同,有时也称作水压致裂或水力劈裂。水力压裂技术广泛应用于石油、天然气或地热的开采及增产、放射性废物的处置、地应力的测量等领域。

定向水力压裂技术是指在钻孔压裂段预制裂缝,从而控制水力压裂裂纹扩展方向的技术,对坚硬顶板的控制有着非常明显的效果,主要表现在压裂和软化两个方面,从而削弱顶板的强度和整体性,使采空区顶板能够分层分次垮落,缩短初次来压和周期来压步距,达到减小或消除坚硬难垮顶板对工作面回采危害的目的。

(2)顶板水力压裂组成

通过分析研究,我们了解到当前水利分裂技术中需要了解顶板水力压裂组成,才能够在应用的过程中顺利将水利分裂技术应用到煤层缝裂的拓展分析之中。综合分析相关文献,我们了解到顶板水力压裂包括封孔、高压水压裂、保压注水、压裂监测等主要工序,一个系统内包括压裂系统主要由以下几部分组成:静压水进水管路、高压水泵、注水管、蓄存压裂介质水和油的储能器、手动泵、高压注水胶管、高压封孔器、压力流量监测仪。

2.水力压裂时煤层缝裂的扩展分析

(1)原始缝裂的受力分析

通过目前分析我们了解到煤层中含有很多的原生裂隙,并且这些裂隙属于各种各样的材料,再通过水力压裂技术应用过程中一般不会在煤层中产生新的裂缝,但是原生裂隙会不断的延展拓展。目前很多的高压水作用时候会使得一些煤层产生新的裂缝,并且不断拓展延伸,所以目前很多的煤矿企业会积极利用水力压裂技术来了解每一层缝裂的拓展延伸。很多的煤层,由于钻孔在高压水作用下会发生起裂,对原始裂隙产生了一定的内水压力,使得这些缝隙不断的发生拓展和延伸,并且逐步形成贯通网络,造成煤层压裂。所以在整个煤层原始裂隙,不断拓展延伸过程中,无论是端部还是次级裂隙都会出现一定的分裂,并且当其受到一定的压力的过程中会逐步使得每一层拓展延伸,使得整个煤矿中存在较大的风险。

(2)水力压裂技术应用到煤层中测量其受力及裂缝长度

将水力压裂技术应用到煤层缝裂的拓展分析过程中,一方面可以及时了解煤层破裂的压力,一方面可以了解裂缝的长度。首先我们通过利用水力压裂技术可以及时了解整个煤层中的破裂压力,随着射孔段压力的不断增加,很多煤层的空隙水压也在不断增加,在发展过程中,一旦井下的水压达到一定程度时候就会迫使煤层破裂,并且压力的增加会使得煤层拓展的长度不断增加,当煤层的裂缝拓展到一定距离之后会使得周围的井壁、围壁受到一定的破坏,主要原因是因为靠近井底附近的煤层产生较大的裂隙,导致上岩层在自重的作用下发生弯曲,从而对整个煤层造成一定的破坏。

而从另一个方面,我们可以利用水力压裂技术了解整个煤层裂缝的长度。原始煤层裂缝会通过水力压裂技术的使用而发生拓展,当水压达到裂缝向前延伸的临界条件之后,煤层的裂缝就会开始拓展,并且在开裂之后裂纹尖端应力集中程度立即增加,在高压水作用下裂纹不断拓展,所以在使用的过程中,我们可以通过利用水力压裂技术了解煤层缝裂长度。

3.水力压裂技术应用效果分析—以山西忻州神达惠安煤业有限公司为例

目前,水力压裂技术引起了很多煤矿企业的高度重视,并且不断地应用到相关公司之中,了解煤层缝裂的拓展情况,并且通过应用水利分裂技术,了解煤层拓展的情况,进而为公司的发展做好相关的预防措施,提高煤层的稳固性和整个施工的安全性。本次研究过程中将以山西忻州神达惠安煤业有限公司了解水力压裂技术应用效果。

(1)水力压裂技术应用

山西忻州神达惠安煤业有限公司推动水力压裂技术在13#煤层1305采区130502工作面过上覆11#煤层1102采区工作面煤柱的应用。在130501工作面过上覆煤柱期间,工作面安全阀频繁开启,煤壁片帮、顶部冒落,支架压力普遍在30MPa以上。工作面推进煤柱期间,出现部分支架立柱不超过200mm。上覆11煤层煤柱顶部未垮落,加上13#煤层顶部,造成工作面压力集中、端头顶部破碎,给安全造成一定影响。由于工作面压力集中,不敢按正规循环作业,过煤柱期间不放煤,过煤柱后方才按正规循环进行放顶回采,煤量损失大,资源回收率低。为此130502工作面过煤柱前,在顺槽煤柱下内布置钻孔采用水力压裂的方式对顶部进行压裂破坏,使13#煤层及上覆11号煤层煤柱顶部来压、放顶的距离提前。

(2)水力压裂技术应用效果分析

通过应用水力压裂技术,我们了解到130502工作面过上覆11#煤层保护煤柱采用顶板水力压裂后,顶板压力减小、工作面液压支架压力显现较为均衡、支架立柱、安全阀、配液阀组损坏现象减少,工作面架前漏顶现象减少,提高作业人员安全系数,降低工作面设备维修费用。

其次,130502工作面过上覆11#煤层保护煤柱采用水力压裂后,煤柱下方位置可以放煤,放煤厚度7m,比130501工作面过煤柱期间可多回采煤炭2.8万吨,带来365万元(130元/吨)经济效益。

最后,增加资源回采率,增加采区及工作面回采率,实现成本效益安全最大化。资源回采对于煤矿企业发展来说有着十分重要的意义,并且能够对环境起到一定的保护作用,进而能够实现可持续化发展。

通过山西忻州神达惠安煤业有限公司应用水力压裂技术,我们了解到在煤层利用水力压裂技术分析煤层缝裂对于保障企业的经济效益、采矿人员安全、成本效益有着十分重要的帮助,因而水力压裂技术值得在煤层缝裂分析中大力推广。

4.小结

综上所述,目前煤矿采矿安全已经成为了中国乃至全世界人民都十分关注的问题,每年在煤矿中发生的安全事故数不胜数,轻微的时候只是会造成相关人员受伤,但是严重的时候会使得井下采矿的人员生命受到威胁。所以煤矿企业在发展过程中,一方面要考虑自己的经济效益,一方面要保障自己采矿人员的生命安全。我们要积极地利用新时代的技术,不断的对煤层缝裂进行相应的分析,保障井下采矿安全,减少安全事故发生。

摘要：进入21世纪以后,我国各行各业都在不断的发展,而煤矿企业在发展过程中为各行各业提供了稳定的能源。但是我们必须要意识到,目前煤矿企业在发展过程中面临着各种安全事故问题,比如矿井塌陷、瓦斯泄漏等等都会直接影响到采矿人员的生命安全。基于这样的现状,很多的煤矿企业都开始思考如何能够利用新时代的技术,对相关的危险因素进行分析了解,从而能够做好相关的预防措施。目前在采矿过程中,很多煤层含有一些大量原生裂隙,并且在发展过程中会由于各种因素导致原生裂隙不断拓展延伸。很多的煤矿企业都因为煤层缝裂导致采矿人员的生命安全受到威胁。水力压裂技术是近年来的一种新突破,广泛应用在测量领域。因此,如何有效利用水力压裂技术来分析煤层缝裂成为了目前煤矿企业思考的一大重点问题。所以本文将通过对水力压裂技术进行相应的了解,从而分析如何能够有效利用水力压裂技术了解煤层缝裂的扩展,了解水力压裂技术应用到煤矿企业的重要意义,旨在为相关的煤矿企业实现安全、可持续发展提供一定的借鉴意义。

关键词：水力压裂技术,煤层裂缝,扩展分析