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1、4能源技術(shù)與管理2010年第6期doi：10．396％．issn1672—99432010．06002水力壓裂對(duì)瓦斯壓力的影響效果研究陳小奎(安徽理工大學(xué)理學(xué)院，安徽淮南232001)[摘要]在高瓦斯礦開采工作面，瓦斯壓力對(duì)注水水頭壓力的選取有較大影響，利用RF—PA2D對(duì)水力壓裂工作面進(jìn)行建立模型，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，獲得合理的注水參數(shù)，提高煤層壓裂效果。[關(guān)鍵詞]瓦斯壓力；水力壓裂；數(shù)值模擬[中圖分類號(hào)]TD712+．54[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1672-9943(2010)O6_O004_O2的有限變形、液相及氣相之間的相互作用，來建
2、立0引言三相介質(zhì)相互耦合時(shí)的失穩(wěn)理論和數(shù)學(xué)模型及設(shè)隨著煤層開采深度的增加，瓦斯的危害程度定以固相為宿主相的三相耦合介質(zhì)的強(qiáng)度條件和日益增大。水力壓裂是研究水壓致裂過程中水在失穩(wěn)條件。在以固相為宿主相的三相介質(zhì)發(fā)生破煤層中的運(yùn)移規(guī)律，以便在此基礎(chǔ)上確定其工藝壞前，作如下假設(shè)?：①平衡及臨界狀態(tài)以前，固參數(shù)，更好地達(dá)到水壓區(qū)域煤層能夠得到發(fā)育的相骨架為準(zhǔn)靜態(tài)的；②流相在固相骨架中的滲流破裂，取得良好的濕潤效果。水壓過程中水在煤層服從達(dá)西定律；③氣相為理想氣體。中的運(yùn)移問題，就是水在煤層孔隙一裂隙連成的煤層的應(yīng)力平衡方程：通道中的流動(dòng)，也可以說水在煤層中的運(yùn)移問
3、題就由假設(shè)①，利用多相介質(zhì)的動(dòng)量守恒定律，得是水在煤層中的滲流問題。而在高瓦斯礦井中瓦斯到煤層的有效應(yīng)力表示的平衡方程為：壓力對(duì)注水壓力的影響不可忽略。為了研究瓦斯4+ps一(尸)=0(1)壓力對(duì)注水壓力的影響，建立固、液、氣的三相耦式中，s為固相骨架的有效應(yīng)力，以拉應(yīng)力合模型進(jìn)行分析研究。為正；P為平均壓力。壓力P：JpS+(1-S)(2)1水力壓裂數(shù)值模擬技術(shù)的機(jī)理式中，P，為液相壓力；為氣相壓力；s為氣煤體是一種裂隙與孔隙共存的準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)，相飽和度(假設(shè)氣，液填滿煤體空隙)。并且孔隙和裂隙中吸附著以甲烷為主的瓦斯氣用Kirchhoff應(yīng)力表示的平衡方
4、程為：體，在向封孔后的鉆孑L內(nèi)注入壓力水后，瓦斯在水壓力下壓縮而產(chǎn)生不可忽略的壓力，反過來影響隸蠢J一=0(3)煤體的水壓致裂效果。另外煤體在水壓下裂隙繼式中，為Lagrangian坐標(biāo)；為Eulerian坐續(xù)發(fā)育，孔隙也逐步連通形成裂隙，吸收水分，在標(biāo)；p、p。為分別為現(xiàn)實(shí)構(gòu)形和初始構(gòu)形的煤體質(zhì)保持水壓不變情況下，瓦斯轉(zhuǎn)移，在持續(xù)的注水時(shí)量密度；b為初始構(gòu)形的外體力密度；s為固相有間內(nèi)，煤體壓裂和瓦斯逸出是一個(gè)不斷變化過程。效的Kirchhof應(yīng)力。2水力壓裂力學(xué)模型的建立在變形多孔介質(zhì)中的流相掙眭。根據(jù)假設(shè)②假設(shè)③流相在固相骨架中的滲流服從達(dá)西定律：煤
5、層可以看作包含多孔隙一裂隙的連續(xù)介V=-Lgrad(P)(4)質(zhì)，煤層是三相耦合的宿主介質(zhì)，壓力水為耦合過．．程中的液相介質(zhì)，瓦斯看作耦合過程的氣相介質(zhì)。式中，為相對(duì)于固相骨架的滲流速度；為根據(jù)多相連續(xù)介質(zhì)力學(xué)論為基礎(chǔ)，把煤層這種流體的動(dòng)力粘性系數(shù)；K為介質(zhì)的絕對(duì)滲透系數(shù)。多相連續(xù)介質(zhì)抽象為疊臺(tái)連續(xù)體，考慮固相骨架3水力壓裂數(shù)值模擬過程與結(jié)果分析基金項(xiàng)目：安徽理I大學(xué)青年科學(xué)研究基金(QN200837)RFPA(RealisticFailureProcessAnalysis)真實(shí)2010年第6期陳小奎水力壓裂對(duì)瓦斯壓力的影響效果研究5破壞過程分析方法，為了
6、解決巖石破裂過程的分力隨壓力增加而增加，煤體破裂后由于瓦斯的溢析，采用有限差分法、有限單元法、邊界元法、半解出，瓦斯壓力隨破裂的加劇減小，如圖4所示。析元法、離散元法等數(shù)值模擬方法在全面解決復(fù)l00雜的巖土工程問題_2J。8O603，1數(shù)值模擬模型的建立40根據(jù)實(shí)驗(yàn)工作面實(shí)際尺寸，設(shè)計(jì)高6m，寬6m20的工作面模型，其中上下各有1m的巖層，RFPA001234模型采用120X120個(gè)單元，如圖1所示。水壓加壓步數(shù)／步圖4瓦斯壓力變化圖第二部分是固定注水壓力，逐步增加瓦斯壓力。得到聲反射圖，如圖5所示。1一o01O()0H08圖1數(shù)值模擬模型圖器o0O6O0
7、04模型中材料屬性如表1所示。(m02詛表1材料屬性表3-2實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)共分兩部分：第一部分是固定瓦斯壓力，逐步增加注水壓力。在注水孔加入水頭壓力，初始?jí)毫?MPa，每步增量0．2MPa，共模擬20步，應(yīng)力初始狀態(tài)如圖2所示。較如圖3注水壓力5．2MPa時(shí)應(yīng)力圖水壓不斷增加過程中，在達(dá)到壓裂前瓦斯壓
