第21卷第7期2011年7月中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournalVol．21No．7Jul．2011
定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用*
徐幼平1，2林柏泉1，2教授翟成1，2副教授李贤忠1，2孙鑫1，2李全贵1，2
（1中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州2211162中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221116）
学科分类与代码：6203070（安全系统工程）中图分类号：X936文献标志码：A基金项目：国家自然科学基金资助（51074161）；国家重点基础研究发展计划资助（2011CB201205）。煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题（SKLCRSM08X03）；国家科技支撑计划项目（2007BAK00168－1）。【摘要】为减少煤矿井下水力压裂卸压盲区，扩大压裂影响范围，提高卸压增透效果，在分析水力压裂起裂机理和裂隙发展特征的基础上，提出定向水力压裂技术，分析定向水力压裂过程中煤体的裂隙发展分布规律，并利用RFPA2D－Flow软件模拟了压裂的起裂、扩展和延伸过程，对定向压裂与非定向压裂的效果进行了比较。最后将定向水力压裂技术在平煤集团十二矿己15－31010工作面进行了现场应用，得出在27MPa的水压下，单孔压裂有效影响半径达6m；单孔瓦斯抽放平均浓度较未压裂时提高80%，平均流量上升了382%，取得了显著的效果，具有良好的推广应用价值。【关键词】穿层；定向水力压裂；卸压增透；RFPA2D－Flow软件；声发射
AnalysisonDynamicCharacteristicsofCracksExtensionin
DirectionalHydraulicFracturingandItsApplication
XUYou-ping1，2LINBai-quan1，2ZHAICheng1，2LIXian-zhong1，2SUNXin1，2LIQuan-gui1，2
（1StateKeyLaboratoryofCoalResources＆MineSafety，ChinaUniversityofMining＆Technology，XuzhouJiangsu221116，China2SchoolofSafetyEngineering，ChinaUniversityofMining＆Technology，XuzhouJiangsu221116，China）
Abstract：Inordertoreduceroof-floorblindareaofhydrofractureinundergroundmines，expandinflu-encedrangeoffracturing，andimprovetheeffectofhydrofracture，adirectionalhydraulicfracturingtech-niquewasproposedonthebasisofanalyzingthemechanismofcrackinitiationandthecharacteristicsoffracturedevelopment．Andtheprocessofcrackstarting，extendingandelongatingwassimulatedwithRFPA2D-Flow．Theeffectofdirectionalhydraulicfracturingandtheeffectofnon-directionalhydraulicfrac-turingwerecompared．FinallythedirectionalhydraulicfracturingtechniquewasappliedintheF15-31010miningworkfaceoftheTwelfthCoalofPingdingshanCoalMiningGroup．Theresultsshowthatsingledrill-holefracturingeffectiveradiusrisesto6munderthepressureof27MPa，andtheaverageconcentrationofsingle-drillholegasdrainagepromotes80%，averageflowup382%thanthatitisnotfractured．Allthesesuggestthatthetechnologyobtainsremarkableeffect，andhasahighapplicationvalue．Keywords：crosslayer；directionalhydraulicfracturing；pressurereliefandpermeabilityincrease；RFPA2D-Flowsoftware；acousticemission
*文章编号：1003－3033（2011）07－0104－07；收稿日期：2011－04－20；修稿日期：2011－05－200引言
水力压裂技术最早使用在油、气田的开发
中［1－2］。20世纪60年代，前苏联将该技术作为
一种煤层卸压增透手段引入煤矿，开始进行煤矿井
下水力压裂试验研究，通过打钻孔深入煤体，以水为
能量传递介质对煤体进行压裂［3－4］。钻孔经过水力
压裂后，能扩大其有效影响半径，改善周围煤体透气
性，为矿井瓦斯有效抽采创造良好条件。因此，研究
水力压裂，揭示裂隙在煤体中的扩展特征，对增强煤
体卸压增透、提高瓦斯抽采效率具有重要意义。
随着煤矿开采深度的增加，地应力增大，瓦斯压
力上升，煤层透气性降低，煤与瓦斯突出危险性也随
之升高［5］。针对这种情况，近年来，利用水力压裂
技术来提高煤层透气性逐渐引起了一些学者的重
视，杜春志［6］根据最大拉应力准则，给出了煤层原
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，但该模型基于单个裂缝，有一定局
限性；张国华［7－9］根据圆孔模型，对钻孔周围任意一
点的受力作了理论推导，并对钻孔压裂的起裂位置
作了有益的探讨。冷雪峰［10］模拟了岩石在水力压
力作用下破裂失稳过程，对比分析了不同均质度对
岩石水压致裂过程的影响。这些有益的探讨加深了
对煤岩体破裂过程中受力状况的认识，但纯粹从力
学的角度出发，缺少对煤、水、瓦斯等固液气三相耦
合作用的研究，无疑是不够全面的，也与客观情况相
去甚远。
笔者针对煤体压裂过程中存在固液气三相作用
的特性，研究水力压裂煤层起裂机理与裂纹扩展规
律，在此基础上提出定向水力压裂技术，建立数值计
算模型，模拟定向水力压裂裂纹的扩展规律，并将结
论应用于现场，取得了良好的效果。
1定向水力压裂卸压增透机制
1．1穿层钻孔水力压裂起裂机理
煤是多孔介质，煤体中含有丰富的原生裂隙。
压裂过程中，水在泵压的作用下进入煤层中，作用在煤层中的层理面和原生裂隙以及钻孔成孔过程产生的新裂隙等各级裂隙中，当注入水压力大于渗失水压力时，煤体弱面面壁产生内水压力而发生破裂，形成宏观裂隙，与此同时，压力水进入裂隙中。随着压裂的继续进行，裂隙损伤变量增大，引起次级弱面及下一级弱面继续发育、扩展和延伸，此时，湿润煤体中孔隙度增加，并被高压水填充。在非湿润的煤体中，随着压力的升高，煤体内部压缩、损伤并出现裂纹，此时煤体被压实，孔隙度减小。
在压裂过程中，每一次压裂注水过程都会导致在弱面充水空间壁面法线方向上产生拉应力，又因为后续压入动力水在煤岩体中产生的宽度和冲击作用都较前一次有所增强，弱面的内水压力也将持续增加，弱面壁面法向拉应力也由此增加。当该法向拉应力达到与其相连的次级弱面抗拉临界值与地应力在该方向分力之和时，次级弱面也将起裂，压裂水便进入到次级弱面中，从而形成与上一级弱面同样的扩展延伸过程，如图1所示。
图1次级弱面发育扩展原理示意图Fig．1Fracturepropagationofsecondaryweakplane依此规律反复发展下去，直至压裂水达到煤岩分层中的微裂隙体系中，此时，压裂水便达到对煤层的逐级分割破裂的状态，最终在煤岩体内形成以压裂孔为中心、多级弱面为主体的裂隙连通网体系。
1．2定向水力压裂裂隙扩展及增透机制
根据压裂过程中煤岩体裂隙首先在弱面产生与发展这一客观事实，提出定向水力压裂技术，即通过增加一些控制孔，人为创造弱面，诱导压裂过程中裂隙向定向孔方向生成与扩展，从而充分利用水力压裂能量，消除非定向水力压裂，压裂后存在局部应力集中和卸压盲区的现象，达到整体卸压增透消突的目的，如图2所示。
控制孔在压裂过程中对裂隙的扩展延伸起着导向的作用。钻孔的施工过程本身是不断形成弱面的过程，并最终形成破碎区、塑性区、弹性区和原岩应力区［5］。破碎区、塑性区的煤体已损伤破坏，构成宏观裂隙区，呈现柱状发散分布。随着压裂孔的泵压不断升高，柱状分布的塑性区和破碎区不断增大，·501·第7期徐幼平等：定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用
图2定向水力压裂裂隙扩展图Fig．2Fractureextensionofdirectionalhydraulicfracturing当压裂孔的塑性区扩大至控制孔塑性区时，压裂孔与控制孔周围的裂隙相互贯通，在持续的压裂下，裂隙不断扩展发育延伸，集中应力区也不断向远离钻孔方向转移，同时煤体向控制孔发生流变，控制孔变小，卸压区扁平化，内部生成更多裂隙。
定向水力压裂促进控制孔与压裂孔之间的煤体裂隙充分发育，形成立体裂隙网，并相互贯通，同时地应力在裂隙产生和煤体流变过程中充分释放，钻孔之间应力峰值下降，煤体透气性提高，达到卸压增透的效果。
2定向水力压裂数值模拟分析
定向水力压裂涉及岩石破坏和流固耦合等问题，利用真实破裂过程分析RFPA系统进行模拟。
该软件是一个能模拟煤岩体介质逐渐破坏过程的数值试验工具，其最大的特色是通过引入材料的非均质性、损伤参量和渗流—应力—损伤分析等元素，使得连续介质力学的分析方法可用于处理物理非连续介质问题，是一种新型的数值试验分析方法。
2．1水力压裂卸压增透模型的建立
以平煤集团十二矿己15－31010工作面为原型
建立模型研究，探讨压裂过程中裂纹的扩展规律。
己15煤层厚约4m，采面标高－720～－770m。煤岩层的力学参数见表1。煤岩层材料性质按照Weibull
分布来赋值，应用弹性有限元法进行应力分析，屈服原则采用修正后的库仑准则。
将其视为二维问题，建立平面应变力学模型。
依据井下测量结果，模型受垂直应力约为16MPa，
水平应力为22.4MPa。整个模型划分为400×400个单元，如图3所示。模型的瓦斯初始压力为2.85MPa。水力压裂注水初始压力为1MPa，每步递增0.5MPa，共运算60步。表1煤岩层力学及渗流参数Table1Physicalparametersofcoalandrock力学及渗流参数类别煤层岩层（顶底板）均质度24弹性模量均值E0/GPa4.865.0抗压强度均值σ0/MPa30100泊松比μ0.300.25摩擦角/（°）2630强度压拉比2010强度衰减系数Bs0.10.3透气系数m2/（MPa2·d）0.1000.001瓦斯含量系数Aw2.000.01液固耦合系数β0.250.10
图3水力压裂（单孔）计算模型图Fig．3Modelcalculationofthesingledrillinghydraulicfracturingdiagram
2.2注水压力对煤层破裂作用过程的数值模拟
在RFPA2D－Flow系统中，声发射图中的点表示声发射声波，点出现的位置即为声发射发生位置，亦表示该处煤体发生破裂。导出RFPA2D－Flow系统中的数据，作出声发射次数图（AECounts）、声发射能量图（AEEnergy）和声发射能量累积图（AE
AccumulatedEnergy）。结合水力压裂的声发射过程图，依据声发射次数和能量积聚图可以将水力压裂过程分为5个阶段：1）应力累积阶段（1～14MPa）。该阶段高压水主要以渗流方式进入煤体原始孔裂隙中，随着水压的升高，水开始渗入煤体微裂隙中，游离瓦斯在微裂隙中被驱赶压缩，瓦斯压力增大，此阶段瓦斯压力成为阻碍水湿润煤体的主要因素［11］。该阶段声发射较少，如图4a所示，在声发射能量和次数累积上都比较少，如图5和图6所示（1～26步），该阶段主要在孔壁周围逐步形成一个近似环状压力增高带，且孔周边主应力呈放射状分布。·601·中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal第21卷2011年