D大平底抽巷水力压裂报告+验收稿.docx
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D大平底抽巷水力压裂报告+验收稿
豫西构造软煤穿层钻孔水力压裂增透技术研究与应用
郑州煤炭工业(集团)有限责任公司大平煤矿
河南理工大学
2013年10月
1引言
1.1选题依据
瓦斯是矿井五大灾害之一,是煤矿安全的第一杀手。
瓦斯通常能引起瓦斯燃烧、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出,其中危害最大也是最难防治的是煤与瓦斯突出。
煤与瓦斯突出是煤层瓦斯、地应力和煤体的物理力学性质三者综合作用的结果,其中,瓦斯压力、地应力是突出发生的动力,要防止突出的发生,减小瓦斯压力、卸压是最有效的方法,这也是防突措施的根本出发点。
按照《防治煤与瓦斯突出规定》(2009),区域防突措施有开采保护层和预抽煤层瓦斯两类。
对不具备开采保护层条件的矿井来说,主要采取预抽煤层瓦斯的方法。
豫西矿区主要开采二1煤,由于其特殊的地质条件,形成了特有的“三软”不稳定煤层,大多矿井属单一煤层开采,而且煤层为全层构造煤,煤类达到Ⅳ~Ⅴ类,透气性极低,透气性系数一般在0.000472~0.0467m2/(MPa2.d)之间,属极难抽采煤层,常规的预抽瓦斯技术虽然能解决一定的问题,但抽采效果不理想,抽采后突出危险性仍然很高,必须采取一定的卸压增透措施来提高煤层的透气性系数,进而保证较高的瓦斯抽采效率。
低透气煤层的卸压增透技术主要分为两个方向。
一是自煤层外卸压增透,如开采保护层等,这个技术已经发展的较成熟,有着较好的应用;对于不具备开采保护层的,在煤层内进行卸压增透,也是一种有效的方法。
由于煤层瓦斯的抽采主要受煤层透气性的控制,只有改变煤层透气性才能提高抽采效率,如水力压裂、水力冲孔、水力割缝、深孔松动爆破、深孔控制爆破等,但不同的卸压增透措施有不同的适用范围及局限性,如水力冲孔适用于煤质松软(f<0.5)、具有自喷能力的软煤中;水力割缝能在一定程度上起到卸压增透的效果,但是由于难以实现钻割一体化,使得割缝深度不够、保护距离短;水力挤出在实施的过程中工作面瓦斯经常超限,而且容易诱发突出,给水力挤出技术人员的安全带来威胁;深孔爆破工艺复杂,在当前技术条件下还不能推广应用;而水力压裂卸压增透措施随着技术装备的不断提升,已经开始在我国大中型煤矿中广泛应用,并取得了良好的抽采效果,通过实施水力压裂,使工作面前方压裂增透区的煤体产生裂隙,大幅度提高煤体的透气性,瓦斯抽采量显著提高,工作面突出危险性得到有效消除。
目前被广泛应用的卸压增透措施有水力冲孔和水力压裂技术,这两项措施在不同煤层均取得了较好的应用效果,通过方案的优化设计,可以使两种增透措施实现优势互补,最大程度的提高煤层瓦斯的抽采效率。
大平煤矿位于豫西矿区新密煤田,矿井21121、21141、21161等工作面均布置底板岩石瓦斯抽放巷道,具备穿层钻孔瓦斯抽采的条件及水力压裂试验的条件。
此外,大平矿煤质松软,坚固性系数很低,一定程度上满足水力冲孔卸压增透措施的要求。
综合考虑,选择大平矿为试验场地。
不同的地质条件,水力压裂工艺参数和压裂效果也会不一样,针对大平矿现有的矿井地质条件,对影响水力压裂裂缝形态和延伸方向的瓦斯地质因素进行分析,进而选择合理的压裂工艺参数,并对水力压裂和水力冲孔的效果进行全方位对比,实现优势互补。
1.2国内外研究现状
水力压裂技术最早应用于开发油气田中,用于改造低渗透油气田。
国内外学者对此也进行了大量的研究。
如Prats将裂缝长度影响折算到井半径,提出了简单的解析预测公式。
VanDum提出了油气田压裂开发的基本优化准则。
指出对于需要用增产措施(水力压裂)来改造的低渗透油气田,实现油田开发最佳经济效益的途径在于优化水力压裂的裂缝长度和裂缝方等。
Dyes等人应用模拟来研究人工压裂井垂直裂缝对油井产能和应力恢复分析的影响。
20世纪60年代,前苏联将该技术作为煤层卸压增透的一项措施引入矿井生产中,开始进行煤矿井下水力压裂实验研究。
徐幼平、林伯泉等利用RFPA2D-Flow软件模拟了水力压裂的起裂、扩展和延伸过程,并指出了水力压裂存在的一些问题,如增透方向不确定导致应力集中,可能诱发煤与瓦斯突出。
王鹏、茅献彪等通过数值模拟方法研究了地应力状态对裂缝扩展的影响,并研究了水平面上不同应力差对裂缝扩展的影响。
杜春志、茅献彪等从理论上分析了裂缝壁面的受力状态,根据最大拉应力准则,给出了原级裂隙扩展的力学条件,进而分析了空间壁面裂隙扩展的力学条件。
张延新、宋常胜、蔡美峰等对深孔水压致裂地应力测量及应力场反演进行了研究,通过水压致裂过程中的压裂施工曲线,求得裂缝起裂压力、延伸压力、重张压力,进而根据换算公式求得煤岩层所处的水平应力σh、σH及垂直应力σv。
景锋、盛谦、张勇慧等通过收集中国大陆地区450多个钻孔的地应力实测资料,建立了我国垂直应力(σv)、最大和最小水平主应力(σH、σh)随埋深的分布关系等。
1.3研究内容及目标
1.3.1研究内容
(1)研究影响水力压裂裂缝展布规律及瓦斯抽采效率的瓦斯地质条件,包括煤层瓦斯、煤体结构、地应力及瓦斯在煤层中的流动特点等。
(3)研究地应力的分布规律,并求得煤体破裂压力及水力压裂产生的摩擦阻力,从而选取合理的泵压;研究压裂液的综合性能,选择合适的压裂液,进而产生良好的水力压裂效果。
(4)研究大平矿水力压裂的实际增透效果,从抽采浓度、抽采流量、衰减周期、影响半径等方面进行综合评价分析。
(5)研究大平矿水力冲孔卸压增透措施,从抽采浓度、影响半径等方面进行效果评价。
(6)基于层次分析法(AHP),对水力压裂、水力冲孔两种穿层钻孔卸压增透措施进行比较分析。
1.3.2研究目标
针对豫西面临的瓦斯抽采效率低的实际问题,围绕
(1)影响水力压裂压裂效果和瓦斯抽采效率的瓦斯地质条件;
(2)水力压裂合理工艺参数的选取;(3)水力压裂与水力冲孔效果评价等问题开展研究。
项目预期达到的总目标为:
确定水力压裂措施的技术参数,得出水力压裂、水力冲孔卸压增透的实际效果,找出最佳的穿层钻孔瓦斯抽采技术方案。
1.4技术路线与创新点
1.4.1技术路线
以瓦斯地质与防治理论为基础,采用现场实验、实验室测试、理论分析计算等相结合的方法,对实施不同措施下底板抽放巷预抽煤巷条带瓦斯的抽采效果进行研究评价,得出最有效的穿层钻孔瓦斯抽采方法,为矿井安全生产打下基础。
最佳的穿层钻孔瓦斯抽采方案
1.4.2创新点
(1)构造软煤、瓦斯含量、地应力等瓦斯地质因素对煤层水力压裂及瓦斯抽采都具有重要的影响,各要素主要通过控制煤层的透气性系数、渗透率、水力压裂裂缝的形态及延伸方向等,进而起到控制煤层卸压增透的作用。
(2)地应力随着埋深的增大而增大,并控制了煤体破裂压力;水力压裂对构造软煤起到了较好的卸压增透及瓦斯抽采效果。
2研究区瓦斯地质条件分析
2.1煤层煤质
2.1.1煤层厚度及其变化
煤厚大、煤厚变化大、构造煤全层发育是豫西主采煤层二1煤的一个典型特点。
根据统计,煤层平均厚度一般在5~6m之间,属于厚煤层,但煤厚变化大,似鸡窝状,生产中采掘揭露比勘探钻孔揭露更明显(表2-1、图2-1、2-2)。
表2-1豫西部分煤田二1煤层厚度及其变化统计表
煤田
矿井
煤厚/m
变异系数/γ
可采指数/km
煤质
最小~最大
平均
新密煤田
大平矿
2.7~14.5
8.8
贫煤
裴沟矿
1.14~25.86
7.16
60.3
1
贫煤
登封煤田
白坪矿
0~26.79
5.30
贫煤
告成矿
0~14.5
4.86
贫煤
荥巩煤田
金龙矿
1.05~21.38
5.16
63
0.93
无烟煤
三李矿
0~8.98
2.94
89.76
0.74
无烟煤
张沟矿
0.5~6.2
3.12
76
0.88
无烟煤
新安煤田
新安矿
0~18.88
3.87
87.19
0.85
贫瘦煤
图2-2新密煤田裴沟矿二1煤钻孔煤厚变化分布图
图2-1荥巩煤田张沟矿11煤柱延伸面上下付巷实测剖面素描图
2.1.2构造煤孔隙特征
煤体的孔隙特征是煤层瓦斯流动的基础,对煤层的透气性有较大影响,进而影响瓦斯的抽采,因而对煤体孔隙性的研究有助于提高瓦斯的抽采效果。
目前,在孔隙特性的研究中,较常用的方法有:
用扫描电镜观察煤体表面孔隙特征和压汞法测定煤体孔径。
煤中自然形成的裂缝称为裂隙,往往呈多组出现,组成多个裂隙体系,裂隙对瓦斯的运移和产出起决定作用。
这些裂隙把煤体切割成一系列形态各异的基质单元,称基质块,基质块中所含的微孔隙称基质孔隙。
大平矿为全层构造煤,图2-3、2-4为扫描电镜下观察的煤体孔隙特征。
图2-3构造煤中片状叠置图2-4构造煤粒表面擦痕
电子显微镜下观察,构造煤微观结构的主要特点是:
破碎的煤粒呈透镜状或片状,透镜状煤粒粒径一般500μm(短轴),定向性明显,在微透镜体表面具有大量的擦痕,而且只显示一个方向的擦痕,擦痕顺透镜体的长轴方向发育,透镜体内煤体结构均一,一般不具有进一步构造破坏的特点,有时一个大的透镜体内又由多个小的透镜体组成等。
片状煤粒厚度有时不到10μm,层层叠置,煤粒表面镜面发育,也常见有大量擦痕,另外,煤体的剪切脆性变形特征明显,未见韧性变形特点,构造煤粒呈定向排列。
可以看出构造煤比表面积增大,煤体吸附瓦斯的能力增加,且受构造变动影响,煤体强度降低。
压汞法测定是煤体孔径及孔容,其主要原理是汞压入不同孔径的煤体孔隙所需压力不一样,根据压力的分布情况即可求得所需的孔径、孔容。
表2-2为根据压汞法测得的各种类型构造煤的孔隙数据。
从表中可以看出,随着构造煤类别的增高,煤体的总孔容、总比表面积显著增大,而中值孔径减小,使得煤体吸附瓦斯的能力增强,而构成渗流的通道减少,导致煤层渗透率低,瓦斯流动困难。
根据扫描电镜观察,大平矿构造煤类型为片状煤~鳞片状煤,其孔隙特征介于两者之间。
表2-2各类型构造煤孔隙结构基本特征
样品
号
构造煤
类型
Vdaf
/%
总孔容
cm3/g
总比表
面积m3/g
中值孔径
/nm
孔隙度
总孔隙度/%
基质孔隙/%
连通孔隙/%
02
透镜煤
35.32
0.0855
6.5124
548.5
2.8500
14.31
29.17
03
片状煤
34.46
0.0927
7.5166
564.3
3.0900
10.02
23.4
04
鳞片煤
31.27
0.1061
9.3425
841.7
3.5367
11.64
20.42
05
粉末煤
30.05
0.1157
10.8208
92.0
3.8567
9.96
18.94
2.1.3瓦斯的吸附解吸特征
大量实验证明,煤对气体的吸附是可逆的。
由于范德华力的作用,在临界温度以下所有气体都有吸附势,并会形成多层吸附,甚至产生凝结现象。
在恒定的温度和压力变化条件下的吸附过程称为等温吸附,描述等温吸附时压力与吸附量之间关系的曲线称为等温吸附曲线。
煤层气的吸附理论有朗格缪尔单分子层吸附理论、BET多分子层吸附理论和容积充填理论,目前使用最广的是朗格缪尔理论。
朗格缪尔模型(Langmuir,1916)是根据汽化和凝聚的动力学平衡原理建立的,其方程简单实用,已广泛用于煤和其它吸附剂对气体的吸附,大多数研究煤的等温吸附仪也是遵循这一理论设计的。
Langmuir吸附等温式为:
(2-1)
式中,VL或Vm或a代表吸附剂的表面覆盖满单分子层时的吸附量,也称最大吸附量,
通常称为朗格缪尔体积,即平衡水条件下测得的最大吸附量,
通常指干燥条件下测得的最大吸附量;
是吸附剂在气体压力为p时吸附气体的吸附量;PL为朗格缪尔压力,PL等于1/b。
为了进行数据拟合,式(2-1)可化为直线型,即:
(2-2)
可以根据实测每个压力点(P)的吸附体积(V),计算V/P;然后作V/P与V的散点图,拟合出直线的截距VL/PL和斜率1/PL;最后由VL/PL和1/PL计算出VL和PL,将VL和PL代入(2-2),即可得到朗格缪尔方程。
在研究中,煤的等温吸附曲线主要应用于以下几个方面。
①确定煤储层中的瓦斯临界解吸压力;
②估算煤储层的理论含气量和确定瓦斯的饱和状态;
③预测煤储层在降压解吸过程中瓦斯的采收率或可采资源量。
④从瓦斯防治角度:
吸附常数a、b是煤层突出危险性的指标之一,可以作为突出危险性判定的依据之一。
煤层的临界解吸压力及煤层的理论瓦斯含量的确定有助于我们采取针对性措施,当煤层瓦斯压力降至临界压力时,煤层瓦斯开始解吸,瓦斯涌出量会增大,瓦斯抽采浓度及抽采流量会增加,这对瓦斯的抽采及防治具有重大指导意义。
影响煤层瓦斯吸附性的因素有:
①地应力。
当温度与其它因素相同时,煤储层甲烷吸附量随压力的增加而增大,但不同的压力区间,其增加的幅度是不同的。
低压时,吸附量随压力几乎呈线性增长,在中高压时,吸附量增长率逐渐变小,至某一极限压力,吸附达到饱和状态,吸附量不再增大。
②温度。
理论上,VL不受温度的影响,在任何温度条件下,吸附质一定时,其极限吸附量都相同。
但在未达到最大吸附量之前,由于吸附是放热过程,温度总是对脱附起活化作用,温度越高,吸附性越弱,越有利于解吸。
③埋深。
煤层埋深是温度和压力的间接反映,埋深增大,压力和温度均增加。
一般而言,煤层甲烷吸附量随埋深的增加而增大。
从瓦斯风化带边界到400~600m深度,甲烷含量增加最快;800~1000m为缓慢增加的区段;1000~1500m压力增加使吸附甲烷含量增加很小,而此时温度较高,使吸附甲烷量减少较多,二者综合结果,吸附气量总体趋于减少。
④平衡水条件下煤的饱和吸附气量与煤阶呈两段式模式,其拐点大约在Ro,max=4.0%左右。
当Ro,max<4.0%,朗格缪尔体积随煤级的增加而增大,当Ro,max>4.0%,朗格缪尔体积随煤级的增加而减少。
⑤孔隙结构。
煤对气体的吸附能力与孔容、比表面积呈正相关关系,但煤级不同,不同孔径段的不同孔隙结构参数的影响程度也不同。
⑥其他。
煤的化学组成、煤岩学组成及水分含量等对煤的吸附型也有一定的影响。
大平煤矿为突出矿井,瓦斯压力及瓦斯含量较高。
通过对大平煤矿煤体的等温(25℃)吸附实验(图2-5)知,吸附常数a在21采区较大,在26.3~28.8m3/t之间,吸附常数b在1.503~1.576MPa之间,且镜质组反射率越大,煤的变质程度越高,瓦斯吸附量越大。
表2-3大平矿煤层等温(25℃)吸附曲线表
采样地点
Romax/%
朗格谬尔体积VL/m3/t
朗格谬尔压力pL/MPa
21采区
2.1
26.3
1.503
2.2
27.5
1.541
2.28
28.8
1.576
图2-5大平矿21采区煤层等温吸附曲线
煤体瓦斯的临界解吸压力,指解吸与吸附达到平衡时对应的压力,即压力降低使吸附在煤微孔隙表面上的气体开始解吸时的压力。
其与煤储层含气量及吸附、解吸特性呈函数关系。
其计算公式如下:
(2-3)
大平矿21采区煤层原始瓦斯含量平均在9m3/t左右,根据公式2-3知,其临界解吸压力为0.306MPa,即当煤层内的瓦斯压力降至0.306MPa时,21采区煤体内的瓦斯开始解吸。
表2-4大平矿21采区煤层解吸率测定表
测定地点
埋深/m
损失量/(m3/t)
现场解吸量/(m3/t)
真空加热脱气量/(m3/t)
解吸率/%
21101底抽巷抽1测点西10m
367
1.22
1.47
7.92
25.3
21141底抽巷4#钻场
524.5
0.2
0.51
8.64
7.6
21141底抽巷回2测点南14m
510.5
0.33
0.58
8.66
9.5
21141底抽巷6#钻场
487
0.72
1.4
10.17
17.2
21181底抽巷回风联巷
551.2
0.62
1.22
10.1
15
21161底抽巷2#钻场
519.5
0.93
1.25
9.76
18.2
21141底抽巷回2测点
506
0.43
0.61
6.29
14.2
大平矿21采区煤层解吸率较低,最大为25.3%,最小为7.6%,其余基本在15%左右,结合煤体瓦斯临界解吸压力(0.306MPa),可知21采区煤层瓦斯较难解吸,要达到煤层瓦斯解吸的目的,排水降压可以达到目的。
2.1.4煤体的透气性系数(渗透率)
煤层透气性系数是煤层瓦斯流动难易程度的标志,是评价煤层瓦斯抽放难易程度和瓦斯突出防治的重要技术参数。
它对于煤层气开采、矿井瓦斯抽采设计、煤与瓦斯突出危险性预测等都具有十分重要的作用。
因此,准确地测定煤层透气性系数,不仅对矿井瓦斯流动的理论研究具有重要作用,而且对于瓦斯矿井的生产实践也具有实用价值。
影响煤层渗透率的原因主要有以下几方面:
(1)地应力对煤体渗透性的影响
煤层渗透率对地应力很敏感,当应力增加时,煤体渗透率下降很快,有关实验结果表明,渗透率与地应力的关系是幂指函数关系。
矿井井下随着工作面的不断推进,煤体前方依次分布着卸压区、应力集中区、原始应力区,在卸压区应力小,煤层渗透率较大,瓦斯涌出量较大,在应力集中区,煤层渗透率极低,瓦斯涌出很少,这也是矿井工作面有时瓦斯涌出量忽大忽小的原因之一。
目前采取的防治瓦斯的方法如开采保护层、水力压裂、水力冲孔、深孔松动爆破等都是以卸压为目的来达到煤层渗透率大幅提高进而提高抽采效率的措施。
(2)吸附性对煤体渗透率的影响
煤体对瓦斯的吸附对煤体渗透率具有重要影响。
有关试验数据表明,煤体对气体的吸附性越强,煤体渗透率越低。
究其原因,煤体的渗透率与煤的孔隙、裂隙结构密切相关,且只和中孔以上的孔隙有关,而煤体吸附瓦斯后,煤体膨胀变形,吸附瓦斯量越多,变形越大,然而由于围压的作用,煤体无法沿径向产生变形,使得煤体变形朝着微裂隙的方向发展,导致中孔以上的孔隙裂隙容积变小,也使得渗透容积变小。
总之,煤体对瓦斯的吸附将导致煤体渗透容积变小,进而影响煤体渗透率。
以上是影响煤层渗透率的两个最主要的因素,豫西矿区如大平煤矿煤层渗透率普遍很低的原因也是以上这个因素的重要体现。
大平矿井位于新密矿区的西南部,总体形态为一轴向近东西,向东倾伏的向斜构造,且断裂构造较发育,使得井田范围内构造应力较高,加上一些采区埋深较深,如21采区埋深500m,使得煤层自重应力也较高,两者综合起来的结果是本区地应力较大。
大平矿为煤与瓦斯突出矿井,煤体的吸附常数a=30m3/t左右,b=1.5MPa左右,可见煤体对瓦斯的吸附能力很高,也导致大平矿煤层渗透率极低,瓦斯抽采困难
目前,我国广泛使用的是中国矿业大学周世宁院士提出的径向不稳定流动的理论,并用相似准数将计算简化,得出煤层透气性系数与相关参数的关系。
该方法准确度较高,具有较高的可信度。
在不受采动影响条件下,煤层内钻孔的瓦斯流量随时间呈衰减变化的系数称为钻孔瓦斯流量衰减系数。
研究表明,瓦斯流量随时间呈指数关系衰减,据此可求得煤层的衰减系数。
表2-5瓦斯抽采难易程度对照表
透气性系数(m2/MPa2.d)
衰减系数(d-1)
容易抽采
>10
<0.005
可以抽采
0.1~10
0.005~0.05
难以抽采
<0.1
>0.05
豫西煤田透气性系数一般在0.000472~0.0467m2/MPa2.d之间,衰减系数均在0.5d-1以上,对比表2-5可知,本区煤层瓦斯极难抽采,需采取卸压增透措施来提高瓦斯抽采率。
2.1.5煤体的物理力学性质
构造煤和原生结构煤对比实验表明,其弹性模量和泊松比有着非常明显的差异,构造煤弹性模量大约为原生结构煤的1/3左右,但泊松比却大大地高于原生结构煤。
构造煤的单轴抗压强度、抗拉强度及坚固性系数值也都明显小于原生结构煤,而原生结构煤的强度也仅有泥岩的几分之一,不足砂岩和灰岩的十分之一(表2-6、表2-7)。
表2-6原生结构煤与构造煤力学参数表
煤体结构类型
力学参数(范围/平均值)
弹性模量E/MPa
泊松比μ
抗压强度/MPa
抗拉强度/MPa
坚固性系数ƒ
Ⅰ类
>6000
6400
<0.3
0.175
>5
5.13
>0.15
0.218
>0.4
0.493
Ⅳ类
<3000
2200
>0.3
0.364
<2
1.83
<0.15
0.106
<0.25
0.172
表2-7煤层及顶底板岩性力学强度
岩性
抗压强度/MPa
抗拉强度/MPa
抗剪强度/MPa
砂岩
26.12
1.05
19.39
细砂岩
11.98
0.80
12.93
砂质泥岩
5.69
0.27
10.90
泥岩
2.03
0.07
8.57
块煤
0.34
0.01
4.09
据岩体力学有关理论,煤岩体的弹性模量对压裂后煤层的裂缝发育影响很大。
煤层的顶底板与煤层的弹性模量差,一定程度上对煤层压裂过程中裂缝的高度、宽度等几何尺寸具有重要影响。
当煤层与顶底板弹性模量相差较大时,那么水力压裂裂缝就不会突破煤层而向上下发展,对压裂效果较好。
如当顶底板岩性为中粗粒砂岩时,压裂后形成的裂缝就只能限定在煤层中而不会向上向下发展;而当煤层与顶底板弹性模量相差不大时,如煤层顶底板为泥岩、砂质泥岩时,水力压裂裂缝就会突破煤层而向上下发展,使得压裂效果受到一定的影响。
同时,由裂缝宽度的计算公式知,裂缝的宽度与弹性模量成反比,弹性模量越小,裂缝的宽度越大。
豫西矿区煤层顶底板普遍发育泥岩、砂质泥岩,煤层与顶底板弹性模量差距较小,使得压裂时,裂缝很容易压串煤层向顶底板发展。
因此,弹性模量对水力压裂裂缝的几何尺寸有一定的控制作用。
煤岩体的单轴抗压强度及抗拉强度,是煤岩体在单向受力条件下破坏时的压力或拉力,其在一定程度上反映了地层破裂的难易程度。
水力压裂产生裂缝要克服该处的地应力及抗拉强度,因此,煤体抗拉强度对煤体破裂压力的大小有重大影响,抗拉强度越大,煤体的破裂压力就越大。
同时,煤层与顶底板的抗拉强度的差异,也对裂缝的高度有控制作用,当煤层与顶底板岩层的抗拉强度相差不大时,裂缝有可能突破顶底板而向上向下发展,一般情况下,煤层顶板最小水平主应力大于底板最小水平主应力,因此,裂缝的发展主要在顶板;当两者抗拉强度相差较大时,裂缝只能局限在煤层中发展,这样的煤岩层组合是水力压裂效果最好的。
泊松比是反映在上覆岩层垂向应力作用下,煤岩层水平侧向应力大小的一个参数,也就是说,该参数对水平应力的大小具有控制作用,而水平应力是计算裂缝破裂压力、裂缝的几何形态(垂直裂缝或水平裂缝)、裂缝的几何尺寸(长、宽、高)的重要参数之一。
研究区大平矿煤体破坏类型属Ⅳ~Ⅴ类,煤质松软,煤层顶底板中的伪顶、直接顶为泥岩、砂质泥岩,老顶为硬度较大的大占砂岩。
相比来说,煤体的弹性模量、极限强度(抗拉强度、抗压强度、抗剪强度)较小,泊松比较高,裂缝在强度稍低的伪顶、直接顶中会有所扩展,但无论如何不会突破老顶大占砂岩。
大平矿水力压裂区伪顶、直接顶厚度在0~6.5m之间,取平均厚度3m,煤层平均厚度7m(图2-6),因此,水力压裂裂缝的高度在10m左右。
2.2地质构造及地应力
2.2.1地质构造特征
图2-7大平矿区域构造纲要示意图
新密矿区主体构造是北西向构造,先期(早中三叠世)受到秦岭造山带隆起由南西向北东向的强烈推挤作用,并形成构造煤,有利于构造对瓦斯的封闭作用;后两期(晚侏
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