煤巷掘进是矿井生产的重要环节,待掘煤巷条带范围的瓦斯超前治理是影响煤矿采掘接替的关键。随着煤炭开采深度和强度的增加,现有的井下瓦斯抽采技术难以保障碎软煤层发育区矿井的安全高效生产。地面煤层顶板水平井开发煤层气(瓦斯)技术显示出良好的抽采效果,与待掘煤巷条带瓦斯治理需求的结合还需进一步探索。以待掘煤巷条带瓦斯地面治理为目标,研究待掘煤巷顶板水平井分段多簇压裂高效预抽瓦斯技术,分析裂缝在煤层及围岩的扩展特征并进行优化控制,是实现条带瓦斯高效抽采亟待解决的关键科学问题。 论文以煤层及其围岩地质条件和分段压裂技术为研究核心,综合运用理论分析、物理实验和数值模拟方法,研究地应力场、岩层结构、井筒位置和施工排量等因素对裂缝起裂和垂向扩展形态的影响,分析天然裂缝发育条件下分簇压裂多裂缝横向扩展规律,提出顶板水平井抽采待掘煤巷条带瓦斯的工程优化路线,通过现场工程应用进行验证。主要研究内容与成果如下: (1)收集典型碎软煤发育区地质资料,考虑顶板结构、射孔孔眼与煤层关系,构建五种典型的压裂研究模型,分析不同起裂模式起裂压力变化规律,预测不同模型裂缝的初始形态。结果表明:裂缝自孔眼根部起裂,易在结构面和煤层处再次起裂,地应力场影响着煤层和结构面的起裂顺序,抗拉强度是煤层和围岩起裂压力差异的主控因素。 (2)设计了4类2层物理相似模拟试样,通过室内实验研究地应力、排量对裂缝扩展形态的影响。结果表明:层理增加了裂缝扩展过程中的起裂位置和扩展路径;较大的垂向与水平应力差有利于垂向裂缝进入煤层,排量减小时,垂向裂缝止于界面,沿界面形成水平裂缝;射孔孔眼部分进入煤层,煤层中都能形成裂缝;射孔孔眼可影响垂直裂缝扩展方向,垂向与水平应力差增大,影响作用减弱;煤层中裂缝形态不规则,受应力影响弱。 (3)基于有限元方法完善和扩展裂缝的垂向扩展机制。结果表明:煤层中射孔压裂,主裂缝位于煤层中,且裂缝宽度大于顶板;层理发育顶板中射孔压裂,裂缝形态复杂,地应力条件不利,裂缝可能无法沟通煤层;射孔进入煤层能够控制裂缝扩展方向,诱导裂缝沟通煤层;水平应力大于垂向应力、射孔孔眼穿过多层结构面,裂缝趋于沿接近煤层的结构面形成水平裂缝。 (4)采用数值模拟方法,研究了天然裂缝对分簇压裂多裂缝扩展形态的影响。结果表明:天然裂缝能够显著影响多簇压裂的裂缝形态,天然裂缝距射孔孔眼距离小时,易诱导压裂裂缝快速扩展;发育多条天然裂缝,分簇压裂能够在井筒附近能够形成以天然裂缝为主的复杂缝网。 (5)提出了碎软煤层待掘煤巷顶板水平井井位设计及压裂施工参数优化方法,以淮南矿区为例,开展了井位部署、压裂优化设计和抽采效果评价研究:顶板水平井应布置在煤层顶界1.2 m范围内,采用深穿透定向射孔工艺实现井筒与地层的沟通;分段段间距约为65 m,单段3簇压裂,有效裂缝网能够覆盖煤巷条带。试验监测及产气结果显示:各段裂缝呈网状,覆盖到了待掘煤巷条带;预测抽采3 a,压裂裂缝区域的储层压力降为3 MPa以下,平均降为2 MPa以下,平均降低75.3%;含气量平均降为3.5 m³/t以下,平均降低48.1%。 我国高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井分布广泛,地质条件、地应力类型多样,论文研究成果能够为碎软煤层待掘巷道条带及工作面区域瓦斯地面高效预抽提供借鉴和指导,具有良好应用前景。