穿层钻孔水力压裂数值模拟研究

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1、穿层钻孔水力压裂数值模拟研究摘要：基于水动力学、岩体力学等理论，研究了高压水作用下不同煤分层位置裂缝起裂机理和弱面端部扩展延伸过程。通过FLAC3D数值模拟分析了裂缝压裂后煤体应力和位移变化情况。模拟结果显示，通过定向压裂消除了单个主裂缝所引起的应力集中，使压裂区域内大部分煤岩体都处于卸压状态，起到了整体卸压的目的，整个过程伴随着应力的释放。关键词：穿层钻孔;水力压裂;数值模拟;FLAC3D；裂缝扩展NumericalsimulationofhydraulicfracturingofcrossingboreholeWANGYaoGAOFeiJIGuangliang

2、（ZhaoguNo.2coalmineofjiaozuocoalcompanyofHNEC，HenanJiaozuo，454000）Abstract:Basedonthetheoryofwaterdynamics,rockmechanicsandsoon,themechanismofcrackinitiationandpropagationofthecrackindifferentcoallayersunderhighpressurewaterisstudied.Thechangeofstressanddisplacementofcoalbodyafterfrac

3、turefracturingisanalyzedbyFLAC3Dnumericalimulation.Simulationresultsshowthatthestressconcentrationcausedbyasinglemaincrackiseliminatedbydirectionalfracturing,mostofthecoalandrockmassinthefracturingareaisintheunloadingstate.Theaimofthewholeunloadingpressureisrealized,thewholeprocessisa

4、ccompaniedbythereleaseofstress.Keywords：crossingborehole;hydraulicfracturing;numericalsimulation;FLAC3D；fracturepropagation随着煤矿地质条件日趋复杂、开采强度增大、采掘深度增加，瓦斯防治难度越来越大，瓦斯灾害对煤炭企业的安全、高效生产的制约作用日益突出。煤矿井下定向压裂增透技术以增大煤层渗透率、提高瓦斯抽采量和抽采浓度、降低煤与瓦斯突出危险性为目标，通过实施井下定向压裂增透，使井下工作面前方压裂增透区域的煤体卸压，大幅度提高煤层透气性，高压瓦斯

5、得到释放，探索出了单一低渗煤层瓦斯区域治理的新途径。1、技术原理井下水力压裂的基本原理即将压裂液高压注入煤（或岩）体中原有的和压裂后出现的裂缝内，克服最小主应力和煤岩体的破裂压力，扩宽并伸展和沟通这些裂缝，进而在煤中产生更多的人造裂缝与裂隙，从而增加煤层的透气性，起到增加瓦斯抽采量，使得抽采达标，瓦斯压力、压力含量降到国家规定的安全值以下。1.1高压水对煤层的压裂过程机理分析当采用水力压裂提高煤层的渗透率时，高压水对煤层的结构破坏过程不同于实验室中单轴压缩条件下破坏过程。单轴压缩作用下煤的破坏是煤体在外力作用下的破坏，而煤层注水压裂破坏是借助流体水在煤层各种弱面内

6、对弱面两壁面的支撑作用，使弱面发生张开、扩展和延伸，从而对煤层形成内部分割。这种分割过程一方面通过弱面的张开和扩展增加了裂隙等弱面的空间体积，另一方面通过裂隙等弱面的延伸增加了裂隙之间的连通，从而形成一个相互交织的多裂隙连通网络。正是由于这种裂隙连通网络的形成，致使煤层的渗透率大大提高。在层理或切割裂隙张开度增大的过程中，其张开壁面的切向拉应力增加，当在某位置的切向拉应力大于与此相连的次级弱面的壁面之间的联结力和相应切线方向的原始应力之和时，将在该位置处发生次级弱面起裂，水在压力作用下将进入其中，同样发生上一级弱面所经历的扩展延伸过程。依此规律反复发展下去，直至达

7、到煤分层中的微裂隙，水便达到对煤层的逐级分割作用。根据以上的分析，压裂液在煤层内的运动过程可表示为图1。1—一级弱面；2—二级弱面；3—三级弱面图1压裂液流动次序示意图通过以上定性分析可知，压裂液对煤层的压裂破坏过程，是通过对各级裂隙弱面产生内压，从而导致裂隙弱面在空间上发生扩展和延伸来实现的，是建立在原始裂隙弱面的基础上的扩展延伸以至相互贯通的分解过程，并不是产生新的裂隙而对煤体产生压裂分解的过程。1.2压裂产生裂缝煤在受压下的破坏是压剪破坏；水力压裂过程中煤的断裂是借助高压工作液在钻孔周围张拉产生裂缝，支撑裂缝，使裂缝尖端继续张裂、扩展和延伸。（1）预处理阶段

8、水力压裂措