固体颗粒支撑剂对煤层裂缝支撑与流动导通性的影响研究

保持微小裂缝开启为何重要

在地下深处，许多煤层充满了可用于发电的甲烷，或会泄入矿井巷道，成为致命危险和温室气体。工程师用高压水使煤层产生裂缝以释放这些气体，但新形成的裂缝往往在上覆岩层巨大压力下再次闭合。本研究提出了一个看似简单但对安全与效率影响巨大的问题：哪一种微小的固体颗粒最能支撑裂缝，使气体能持续多年而非仅数周流动？

工程师怎样撑开岩体

要理解这个问题，可想象在一扇沉重的门上撑开一道发丝宽的裂缝，然后塞入一排弹珠以防其关闭。在地下煤层中，这些“弹珠”被称为支撑剂：如石英砂或人工陶粒等硬质颗粒，被随水注入裂缝。停泵后，自然地压会反作用回去，这些颗粒就像微型柱子一样将裂缝撑开一点，让气体和水通过。研究团队聚焦于某中国矿井，该处煤体尤为致密、渗透性低，使用专门的水力压裂软件模拟不同支撑剂在裂缝形成与缓慢闭合过程中的行为。

比较两类微小“柱子”

研究者首先比较了常见的石英砂与更坚固、更致密的陶粒（ceramsite），且在两种材料中采用相同的粒径。模拟结果显示，初期裂缝在地压作用下收窄后，两种材料都能阻止裂缝完全闭合，裂缝宽度约缩小约90%，但仍保留输流能力。关键在于，充填陶粒的裂缝平均允许的流量约为充填石英砂裂缝的1.7倍。这一差异源于基本的岩石力学：石英砂更易破碎并压入煤体，从而减薄通道；而更坚韧的陶粒保持形状，形成更稳固的内部骨架，更能抵抗挤压。

粒径为何产生巨大差异

接着，团队探讨了这些支撑颗粒应有多大。他们对三种陶粒尺寸建模，从较大颗粒到更细的粒度。较大的颗粒产生了稍宽的最终裂缝，更重要的是带来显著更高的流量。最大尺寸的颗粒使平均裂缝流量几乎是中等粒径的三倍、而比最细粒径约高出十一倍。矿井现场对随着裂缝逐步闭合时气水逸出的易流动性所做的测量证实了这一规律：由大颗粒支撑的煤层随时间表现出更好且更稳定的流动性，而由小颗粒支撑的则不如前者稳定。

颗粒破碎后会怎样

当然，这些颗粒并不总是完好无损。在上升的地下压力下，有些会裂开并磨碎成更小的碎片。研究者模拟了从完整颗粒到完全破碎的一系列破碎程度。随着被压碎的颗粒增多，原本清晰的颗粒间通道逐渐堵塞，煤体对面的开放间隙缩小。流量能力与整体渗透率几乎与破碎率呈线性下降，最终在支撑剂完全破碎时趋近于零。研究还将这种损伤与地压联系起来：在矿井的典型应力范围内，每增加一级应力都会显著提高破碎颗粒的比例，且这一变化与模拟中裂缝性能的下降相对应。

对更安全、更清洁煤炭利用的意义

简而言之，研究表明并非所有微小颗粒都相同。使用强度高、相对较大的陶粒支撑剂能使煤层裂缝保持更长时间的开启并带来更大的气流，从而减少井数和压裂作业次数。同时，了解这些颗粒在应力下的易碎性让工程师能更好地预测裂缝何时何地会衰退，并据此规划防范措施。对于具有相似埋藏深度和岩性条件的矿井，作者认为精心选择并合理配粒的陶粒支撑剂可以提高瓦斯抽采效率，降低巷道瓦斯聚集风险，并减少向大气的甲烷泄漏——将微小的颗粒类型与粒径选择转化为提高安全与环境保护的有力杠杆。

引用: Zhang, C., Chen, Z., Zhang, Z. et al. Study on the effect of solid particle proppant on fracture support and flow conductivity in coal seam. Sci Rep 16, 11809 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42338-w

关键词: 煤层气, 水力压裂, 支撑剂选择, 抽采甲烷, 矿井安全