煤层水力压裂应力应变演化规律探究与实践

为了探究煤层水力压裂过程中应力应变演化规律,采用理论分析和现场监测的研究方法,利用空心包体应变计监测煤层水力压裂前后应力应变的变化规律。结果表明:煤层水力压裂开始2 h后高压水影响范围扩散到29 m处的监测孔,且对应力监测点的影响达到最大,后期应变趋于稳定状态,压裂后6 d,应变恢复到稳定状态不再变化,但仍大于压裂前状态;煤层水力压裂时主应力增量均增大,但幅度不同,压裂主要影响的是竖直方向的应力增量,与应力监测点和压裂孔的空间位置有关;煤层水力压裂后由于压裂液滤失逐渐卸压,应力增量逐渐减小且有恢复到原始稳定状态的趋势,但仍大于未进行水力压裂时的状态;煤层水力压裂对煤岩体方位角和倾角影响不大。该煤层水力压裂应力应变演化规律可以为煤层水力压裂增透机理的探究提供借鉴和参考。     

采空区侧向支承压力演化及微震活动全过程实测研究

为获取工作面回采过程中采空区侧向支承压力演化及微震活动全过程特征,利用双巷布置工作面外圈巷道布置煤层应力及微震监测装置,通过连续6个月监测分析发现：工作面回采后,采空区侧向53 m范围内煤层垂直应力不同程度调整,直至工作面后方300 m趋于稳定;采空区侧向煤层垂直应力走向上呈现出5个阶段性特征,在倾向上呈现5个区间性特征,基于实测数据得出了各阶段、各区间内煤层垂直应力及弹塑性演化规律。采空区周围微震分布呈现反“C”型,采空区边缘微震活动持续时间显著大于中部。背斜构造区采空区边缘顶板岩块更易铰接成稳定结构,出现滞后型动载荷。采空区侧向覆岩结构构成及活动性与前方差异明显,并导致了两个方向上的支承压力特征差异。将研究结论应用于煤柱宽度的优化、临空巷道掘进时机的确定、留巷动力灾害危险区域划定等。     

掘进工作面顶板水力压裂防灾技术应用研究

高瓦斯、高地应力掘进工作面顶板围岩动力现象频繁出现，严重制约了矿井安全生产。为防止煤岩动力灾害事故发生，五阳煤矿采用水力压裂技术开展掘进工作面顶板围岩卸压增透试验，以减小巷道上方应力效应、预先释放顶板瓦斯。利用瞬变电磁仪检测煤层裂隙电阻率变化以表征顶板水力压裂试验开展情况，通过对比顶板水力压裂前后工作面瓦斯浓度、煤炮响应次数及微震事件，研究顶板水力压裂技术的防灾效果。研究表明，煤层电阻率受顶板水力压裂效果影响巨大，同时压裂防灾效果明显，施工前后各项指标均有明显降低，瓦斯浓度降低40%，煤炮响应次数减小85%，微震事件减小76%。     

煤矿井下水力压裂裂缝监测技术研究

针对煤矿井下水力压裂裂缝扩展规律及增透范围不明确的问题,提出了在压裂过程中实施微地震监测技术。分析了煤矿井下水力压裂微震监测震源定位原理,建立煤岩体破裂的走时方程。进行了水力压裂过程中煤岩体破裂激发能量正演计算,证明选用的YTZ3微震监测系统满足要求,并确定了微震监测流程。随着注入水压力的增加,微震数量明显增加,最大振动能量明显增加,微震信号的初至时距关系及能量关系基本一致。     

微震监测技术及其在煤矿的应用现状与展望

微震监测技术是利用煤岩破裂产生的微震信息来研究煤岩结构和稳定性的一种实时、动态、连续的地球物理监测方法,主要包含微震传感器台网优化、微震信号识别及到时拾取、波速模型、微震波形特征、震源定位与成像、震源机制、微震监测预警等。近30 a来,微震监测技术在煤矿安全高效生产中得到了广泛应用。煤岩破坏过程中的微震波形特征、震源定位、矿震活动性规律、冲击地压微震监测预警等方面取得了一系列研究成果;在煤与瓦斯突出、突水、煤岩水力压裂、井下救援的微震监测方面进行了初步研究和探索,并取得了一些有益研究结果。然而煤矿微震监测仍然有很多问题需要进行系统深入研究,主要包含如下：煤岩不同破坏类型,特别是流体作用或参与下的微震波形信号特征;高精度的微震信号自动识别和到时自动拾取;基于微震监测的被动成像理论与技术;煤岩动力灾害前兆信息智能感知和多元信息融合监控预警体系;煤岩水力压裂裂缝微震监测与定位成像技术等。同时还应加快发展和完善具有自主知识产权的高性能、高精度、高可靠性的微震监测系统。     

煤层超高压定点水力压裂防冲工艺研究

针对煤矿高动压区域掘进巷道过程中缺乏区域化卸压方法的现状,基于煤层注水压裂防冲机理,通过长钻孔控制性压裂工艺研究,提出了煤层超高压定点水力压裂防冲工艺。为检验该技术的可行性,在华丰煤矿进行了现场工业性试验,联合采用微震监测系统、应力动态实时监测系统与管路压力传感器,对试验过程中煤岩体微震破裂事件、煤岩体应力变化情况和管路压力进行了监测分析,证明了该技术能够大幅度降低冲击煤层的危险性。     

基于微震监测试验的微震信号类别识别降噪方法研究

微震监测技术是目前预测岩体损伤最有前景的探测技术之一。为提升微震监测技术的准确性,以云县至凤庆高速公路隧道开挖工程为背景,现场进行了微震监测,并对爆破、打炮眼、电气干扰及岩石破裂信号进行了分析。结果表明,可以根据体变势、频谱最大频率、视体积及视应力大小等特征来区分不同信号。其中爆破信号的体变势、视体积和视应力的数值最大,频谱最大频率多数分布在0~10 Hz。岩石破裂产生的微震信号的体变势大多集中在0~10 m3,数值较大,频谱最大频率多数分布在50~60 Hz和180~200 Hz。研究结果对剔除干扰信号和指导现场微震监测具有重要意义。     

基于微震和瞬变电磁法的煤层气井水力压裂监测技术

为了获取井下煤层气水力压裂影响范围,根据压裂时煤层及其围岩的物性变化特征,结合微震监测技术与矿井瞬变电磁法的勘探原理和应用范围,提出了采用微震监测技术和瞬变电磁法联合对井下煤层气水力压裂效果进行监测的方法,采用该方法对兴隆煤矿2个孔的压裂影响范围进行了监测,并且利用传统的打孔法对监测结果进行了验证。研究表明:由于煤层较软,地震波衰减大,压裂区围岩或煤层破碎严重不利于产生新的破裂,接收到的微震事件较少,微震监测技术圈定的压裂影响范围较小;压裂区围岩或者煤层破碎严重,压裂液顺着原有裂隙扩散,瞬变电磁法获取的压裂影响范围较大;微震监测技术与瞬变电磁法进行综合解释,提高了解释成果的可靠性和精度,检验孔中的水压也验证了该方法的可靠性好和精度高。     

水力压裂试验中煤体扰动应力变化规律研究北大核心

为探究煤层钻孔在水力压裂过程中,压裂钻孔周边煤层内的扰动应力变化规律;以筠连县金钟煤矿有限公司1703采煤工作面为试验地点,在确定相关水力压裂参数的基础之上,利用KSE-2-1型矿用本安数显钻孔应力计监测压裂过程中压裂钻孔周边不同距离煤层内的扰动应力变化情况。试验结果表明:水力压裂过程中出现煤体开裂现象时,其注水压力将会出现明显的下降,相应的其单位注水量将会出现一定的上升;水力压裂过程中,由压裂液所形成的扰动应力在煤层内的传递主要以衰减为主;同时,在水力压裂影响范围内,煤层内部的扰动应力变化主要包括3个阶段:原始应力阶段、应力响应阶段和应力趋稳阶段,并且处于应力响应阶段的煤层内部扰动应力值变化呈波浪式上升。     

深部低透气性煤层水力压裂强化增透技术研究

利用数值模拟计算与现场工程技术试验相结合的方法,系统的研究了在底板抽采巷实施水力压裂技术对煤层的强化增透效应与效果;研究获得了水力压裂过程中裂隙发育规律、应力重新分布规律以及渗透系数变化规律,分析获得了增透范围,并利用现场工程技术试验的方法进行了验证。将数值模拟效果应用于工程实践,实现了煤层瓦斯的高效抽采,在压裂后的1个月里,压裂区瓦斯抽采纯量达到未压裂区的3.6倍,抽采达标时间与未压裂区相比缩短了近40%,实现了煤层的长时间增透和瓦斯高效抽采。     

基于瞬变电磁法探测煤体内水力压裂流场的运动规律

基于瞬变电磁的工作原理,利用煤层孔隙-裂隙结构电阻率的变化,分析煤层水力压裂后流场特征、煤体破裂、裂隙延伸扩展以及含水性增大的过程。通过采用瞬变电磁法对煤层水力压裂流场进行了相关探测,得出了在高压水流场的作用下,水力压裂影响半径可达30 m以上并且压裂影响区域具有不均匀性,在应力释放区容易出现水流通道,形成卸压带。如若煤层的顶、底板较为坚硬完整,则水力压裂一般只会限制在煤层进行,同样由于煤层赋存地质条件的不均匀性,因此可利用瞬变电磁探测含瓦斯煤体的水力场,为水力压裂工艺的优化提供依据,以期达到理想的压裂效果。     

特厚煤层顶板超长钻孔水力压裂技术应用分析

针对特厚煤层开采过程中坚硬难垮落顶板,采用超长钻孔水力压裂技术对煤层上方坚硬岩层进行压裂,有效减低了上覆岩层顶板的整体强度,将厚度大、完整性强的顶板通过高压水的切割,最终达到大面积顶板弱化的目的。结果表明：①顶板超长钻孔水力压裂工程的实施对40205工作面煤层上方55～59m处的含砾粗砂岩和68m处有含砾粗砂岩进行了切割弱化,有效降低了煤层上方坚硬顶板的冲击势能;②通过ARAMIS M/E微震监测和ARES-5/E地音监测联合监测数据分析,在顶板水力压裂过程中,能量事件主要以“高频低能”状态存在,最高能量事件达到6.2×103J,未出现高能积聚顶板断裂现象;③高压水力压裂施工后,在工作面回采期间,单日总能量降低达到71.7%,岩体内部裂隙呈现出“网格状”分布结构。超长钻孔水力压裂技术的实施,有效减低了工作面开采过程中煤层上方顶板的冲击势能,为工作面推采提供了安全保障。     

煤岩静爆致裂微震活动规律及频谱演变特征

利用静态破碎剂对原煤试件进行静爆致裂,通过煤岩动力灾害实验模拟系统(ZDKT-1型)实时监测该破裂过程中的微震信号,以模拟研究煤岩静爆致裂增透过程中微震活动规律及频谱演变特征。研究发现:(1)受煤岩层理影响,煤岩静爆致裂后除纵向裂纹外还存在横向裂纹,但纵向裂纹多于横向裂纹;(2)静爆致裂可分微裂、膨胀压传递及劈裂3个阶段;随着进程发展,微震幅值趋于走强,尾波愈发明显,频域变宽(但主频降低),且主震、尾波频域差异较大;可通过微震幅值、尾波发育及频谱特征评估煤层静爆致裂增透进程;(3)微震事件阵发性明显,且幅值及能量呈强弱相间分布;微震计数与总裂纹面积正有关,可通过微震事件数评价煤层致裂增透效果。     

不稳定流量水力压裂对深部低透气性煤层增透效果的影响

为了进一步提升深部低透气性煤层水力压裂增透效果,在煤层水力压裂相关理论研究及现场试验的基础上改进水力压裂工艺,根据相关的力学原理,推导得到压裂孔周边的应力随注水流量的变化情况,提出以控制注入水流量为原则,在水力压裂过程中采用不稳定注入水流量的方法,在平煤十二矿己_(15)-31040工作面进行水力压裂试验。试验结果表明:通过注入不稳定水流量,克服了煤层深部高地应力对水力压裂施工的影响,且压裂过程顶板保持良好;经过测定与己_(15)-31040工作面相邻的己_(15)-31030工作面的常规稳定水流量压裂、未压裂区域瓦斯抽采数据,不稳定水流量压裂单孔抽采瓦斯浓度和瓦斯纯流量比常规水力压裂及未压裂区域均有明显提升。该方法对深部煤层水力压裂增透具有一定的指导作用。     

定向水力压裂工作面煤体应力监测及其演化规律

为研究水力压裂的机理和评价压裂效果,采用空心包体应变计,对水力压裂前后钻孔附近煤层应力的变化,及水力压裂实施后,随着工作面推进,前方煤层应力的变化进行了监测。通过分析监测数据,得到以下应力演化规律与结论：① 水力压裂前后,在压裂钻孔附近煤层中的主应力增量值、倾角和方位角均会出现突变。突变程度与至压裂孔的距离、水压、裂缝扩展方式及煤层力学性质等多种因素有关;压裂后主应力增量得到恢复,但比压裂前均有所降低,水力压裂可改变煤层的应力状态。②顶板压裂后,再受到工作面采动影响,煤层垂直应力增加,水平应力有降低的趋势,但采动引起的主应力增量变化幅度远小于压裂引起的变化,而且采动对主应力增量的倾角和方位角的影响不大;水力压裂可使顶板来压强度降低,工作面超前支承压力的影响减弱。③ 晋城王台铺煤矿坚硬顶板综采工作面进行水力压裂后,顶板的整体性和强度得到弱化,工作面采动影响减弱,顶板能够紧随工作面推进及时垮落,说明水力压裂效果良好。     

水力冲孔后周围煤层应力分布规律研究

为研究水力冲孔后煤层应力分布规律,基于水力冲孔现场试验,采用RFPA2D-Flow软件模拟了水力冲孔后周围煤层应力变化过程,并分析了水力冲孔出煤量对煤层应力分布的影响。结果表明:水力冲孔卸压增透就是孔洞附近煤体应力降低,应力集中向煤体深部转移的过程。随着冲出煤量的增加,煤层应力集中现象越发明显,距离孔洞也越来越远,考虑到水力冲孔后煤层应力分布的影响,冲出煤量应在0.4~0.8 t/m范围为宜。     

水力压裂技术在低透气性煤层瓦斯抽采中的应用

为了解决某煤矿低透气性煤层难抽采的问题,分析了水力压裂增透裂缝扩展规律以及煤层水力压裂卸压增透机理,采用PFPA-2D数值模拟软件,研究了单注水孔以及双注水孔的水力压裂过程中的裂缝扩展规律及煤体位移和应力变化规律,实现大范围裂隙网的形成、贯通和发育,提高了煤体的透气性。通过现场试验,实现了低透气性煤层卸压增透的目的,验证了低透气性煤层水力压裂增透技术的安全性、有效性和适用性。     

高河矿地面水力压裂裂缝监测及其识别方法

针对高河矿现采用的地面水力压裂工艺,结合煤诸层自身特点,根据微震监测系统监测到的微破裂时空分布规律,对压裂施工过程中采集的数据进行处理,识别压裂作业过程中产生的微震事件。对裂缝井周围产生的压裂裂缝的空间展布和裂缝的延伸进行分析,测量出压裂过程中微震事件产生的长度、高度、裂缝位置等信息。     

深部煤层单段/多段水力压裂增透效果对比

为对比深部煤层钻孔内单段和多段水力压裂增透效果,基于谢桥煤矿待揭8煤层赋存条件,分别建立了单段和多段水力压裂增透模型,运用RFPA~(2D)-Flow软件,模拟分析了水力压裂影响区内煤层水压场、应力场、裂隙场和渗透场特征和规律,并进行了效果验证。结果表明:单段压裂起裂时的煤体孔隙水压为7 MPa,多段压裂起裂时的煤体孔隙水压为16 MPa;煤层起裂后,单段压裂时钻孔中部煤体产生了明显的应力集中,而多段压裂时煤体应力分布虽有起伏但无明显应力集中;单段压裂时裂隙主要在钻孔中部位置向顶底板萌发延伸,有效压裂面积较小,多段压裂时各压裂段均可产生类似的裂隙场,有效压裂面积大;单段压裂时煤体渗透系数最大可达初值的249倍,多段水力压裂时最大可达初值的263倍。与钻孔单段水力压裂工艺相比,多段水力压裂可有效提高钻孔瓦斯抽采效果。     

大采深工作面冲刷带附近应力分布特征及微震活动规律

基于FLAC3D数值模拟,研究分析冲刷带煤层厚度变化区的应力分布特征。现场利用微震监测系统,揭示了冲刷带附近的微震活动规律。研究结果表明:(1)当煤层的厚度发生变化后,煤层内部附加的水平应力会发生变化,且水平应力的变化幅度明显大于垂直应力,产状变化程度越大,水平应力变化越剧烈,煤层越不稳定;(2)煤层中存在冲刷带时,工作面前方会出现"双峰值"应力区,并在变化区附近应力峰值处有较大的落差,煤层易于失稳;(3)通过工作面微震定位分析及现场观测,验证了数值模拟结果的可靠性。