定向水力致裂堅(jiān)硬頂板的數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

劉麗萍

(內(nèi)蒙古烏海市煤炭局國(guó)有安監(jiān)科，內(nèi)蒙古烏海市016000)

在煤礦開采中，堅(jiān)硬難垮頂板是指賦存在煤層上方厚而穩(wěn)定、堅(jiān)硬的砂巖、礫巖或石灰?guī)r等巖層，具有強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大、整體性強(qiáng)、自承能力強(qiáng)等特點(diǎn)。煤層開采后，堅(jiān)硬難垮頂板大面積懸露在采空區(qū)而不垮落，一旦垮落，一次垮落的面積大，有強(qiáng)烈的周期性來壓，且來壓時(shí)有明顯的動(dòng)力現(xiàn)象，容易造成支護(hù)設(shè)備損壞，甚至出現(xiàn)危及人身安全的惡性事故［1－2］。

對(duì)于如何治理堅(jiān)硬頂板問題，我國(guó)從上世紀(jì)五十年代就開始對(duì)其進(jìn)行研究，在研究的過程中也積累了許多經(jīng)驗(yàn)。目前對(duì)于堅(jiān)硬頂板的治理主要以強(qiáng)制爆破放頂為主，以高壓注水弱化頂板和高壓水射流切槽等措施［3］為輔。然而爆破控制堅(jiān)硬頂板存在許多不足［4－6］:

(1)工程量大、成本高、污染井下空氣，影響工人的作業(yè)環(huán)境。

(2)在高瓦斯礦井，尤其是煤與瓦斯突出礦井中爆破放頂時(shí)，易造成瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出事故。

(3)對(duì)于埋藏較淺的礦井，爆破放頂易毀壞地面建筑，例如王臺(tái)鋪煤礦進(jìn)行爆破放頂時(shí)造成地面居民房屋開裂。

定向水力致裂技術(shù)作為一種先進(jìn)的堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)，最早在波蘭進(jìn)行了推廣應(yīng)用，取得了很好的效果。最近幾年，我國(guó)也相繼開展了水力致裂方面的研究，閆少宏等［7］認(rèn)為通過巖層致裂可以有效弱化頂板強(qiáng)度，從而減少頂板垮落步距;鄧廣哲等［8］通過研究致裂裂縫的特征，得出裂縫大小與水壓壓力呈正相關(guān)。

基于以上研究背景，本文對(duì)堅(jiān)硬頂板水力致裂進(jìn)行了數(shù)值模擬和工業(yè)試驗(yàn)，以期弄清堅(jiān)硬頂板致裂機(jī)理，并能為水力致裂堅(jiān)硬頂板提供理論依據(jù)。

1 巖石定向水力致裂原理

水力致裂原理是通過在巖層中進(jìn)行預(yù)先切槽，切槽處在高壓水的作用下，應(yīng)力值和應(yīng)變值急劇增加，當(dāng)應(yīng)力和應(yīng)變超過一定值時(shí)，巖石就會(huì)開裂，則頂板就會(huì)被壓裂。

定向水力致裂技術(shù)的關(guān)鍵在于預(yù)先切槽，由于在致裂部位產(chǎn)生了內(nèi)嵌楔形槽，高壓水在開槽部位會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，尖端應(yīng)力值σmax和應(yīng)變值εmax急劇增加。

式中，Kσ為應(yīng)力集中系數(shù)，Kσ≥1;Kε為應(yīng)變集中系數(shù)，Kε≥1。

當(dāng)注水壓力升高至某一值時(shí)，σmax，εmax滿足巖石開裂條件，頂板巖石便被壓裂。

定向水力致裂壓力臨界值為:

高壓泵流量大小也是影響水力致裂效果的重要指標(biāo)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常要求高壓泵流量不能低于80L/min，否則會(huì)減小致裂范圍而降低致裂效率。

2 堅(jiān)硬頂板定向水力致裂數(shù)值模擬

FLAC軟件是一種工程力學(xué)計(jì)算的顯式有限差分程序，主要模擬土、巖石等材料的力學(xué)行為，內(nèi)部含有多個(gè)力學(xué)模型，如彈性模型、摩爾–庫(kù)倫模型。不但可以模擬巖石的線性問題，也可以模擬巖石的非線性問題。

RFPA數(shù)值模擬是一種基于有限元應(yīng)力分析和統(tǒng)計(jì)損傷理論的材料破裂過程計(jì)算方法，能夠模擬材料漸進(jìn)破裂直至失穩(wěn)全過程的數(shù)值試驗(yàn)工具。

針對(duì)模擬目的的不同選擇適合的數(shù)值模擬方法，本文采用FLAC2D模擬圍巖的應(yīng)力集中程度，采用RFPA2D模擬巖石的裂紋擴(kuò)展情況。

2.1 模型建立

采用FLAC2D建立二維模擬模型，模型尺寸為600mm×700mm，模型共分100×100的網(wǎng)格，本構(gòu)模型采用彈性模型，鉆孔直徑42mm。模型上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力 (施加應(yīng)力值采用深度為400m地應(yīng)力實(shí)測(cè)值10MPa，模型兩側(cè)面施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力，水平壓應(yīng)力根據(jù)側(cè)壓系數(shù)進(jìn)行計(jì)算后得到)，模型下表面垂直位移和模型側(cè)面水平位移固定。

2.2 模擬結(jié)果分析

注水前，鉆孔切槽尖端的應(yīng)力分布云圖和鉆孔水平沿監(jiān)測(cè)線垂直應(yīng)力分布曲線見圖1所示。從圖中可以看出，注水前，鉆孔切槽部位形成了壓應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到3～3.5。

圖1 注水前鉆孔水平沿監(jiān)測(cè)線垂直應(yīng)力分布曲線

注水后 (注水壓力為15MPa)，鉆孔尖端的應(yīng)力分布云圖和鉆孔水平沿監(jiān)測(cè)線垂直應(yīng)力見圖2所示。從圖中可以看出，由于切槽的尖端效應(yīng)，注水后形成拉應(yīng)力集中，集中系數(shù)達(dá)到3～3.5。

為了進(jìn)一步分析水力致裂裂紋擴(kuò)展情況，采用RFPA2D數(shù)值模擬軟件，模擬在頂板巖層中進(jìn)行定向水力致裂時(shí)裂紋擴(kuò)展情況，裂紋擴(kuò)展示意圖見圖3所示。

圖2 注水后鉆孔水平沿監(jiān)測(cè)線垂直應(yīng)力分布曲線

圖3 定向水力致裂孔周邊裂紋擴(kuò)展情況

從圖3中可以看出，首先在鉆孔切槽附近形成裂紋，隨著壓裂時(shí)間的延長(zhǎng)，裂紋逐漸向外擴(kuò)展，擴(kuò)展方向沿著切槽方向，正是由于切槽效應(yīng)，較小的水壓即可形成大范圍的裂紋擴(kuò)展，不但提高了致裂效率，也大大降低了致裂成本。

3 堅(jiān)硬頂板水力致裂工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與鉆孔布置

本次工業(yè)性試驗(yàn)地點(diǎn)為煤峪口煤礦410盤區(qū)81008工作面的回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷。開孔位置距頂板200～300mm，鉆孔長(zhǎng)度為30m，孔間距為20m，仰角10°，鉆孔水平投影與巷道夾角為70°，鉆孔直徑為φ38mm。鉆孔布置見圖4所示。

圖4 鉆孔布置示意

壓裂地點(diǎn)頂板巖石抗拉強(qiáng)度為9.32MPa，抗壓強(qiáng)度120MPa，垂直主應(yīng)力5.5MPa，最大水平主應(yīng)力7.71MPa，最小水平主應(yīng)力為4.65MPa。

根據(jù)工作面頂板巖層的特點(diǎn)，在工作面運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷布置定向水力致裂鉆孔，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)致裂鉆孔兩側(cè)鉆孔涌水情況，通過觀測(cè)兩側(cè)鉆孔涌水情況分析水力致裂裂隙擴(kuò)展范圍。

3.2 試驗(yàn)機(jī)具與設(shè)備

(1)開鑿設(shè)備 KC38鉆頭的直徑為38mm，成孔直徑42mm，該鉆孔小于傳統(tǒng)的鉆孔 (預(yù)裂爆破)，這樣有利于提高鉆進(jìn)效率。

(2)封隔器 主要是對(duì)開槽處進(jìn)行封孔，從而使水保持較高的壓力，該封隔器不但可以較好地進(jìn)行封孔，還可以進(jìn)行不同深度的封孔，從而達(dá)到一個(gè)鉆孔多次壓裂的目的，增加壓裂效果。

(3)注水壓力 合理選取高壓注水泵的壓力和流量是影響水力致裂效果的關(guān)鍵，根據(jù)彈性理論，裂縫產(chǎn)生所需的破裂壓力計(jì)算式為:

P=1.3×(9.32+4.65)=18.2(MPa)

此外，由于高壓注水管路和泵站存在一定的工作阻力，個(gè)別區(qū)域巖石的抗拉強(qiáng)度和地應(yīng)力數(shù)值也有差別，為了能保證壓力留有一定余量，確定高壓注水泵的額定壓力為35MPa。綜合考慮電機(jī)功率、設(shè)備體積及礦井實(shí)際條件等因素，確定泵的流量為120L/min。

3.3 試驗(yàn)過程

首先進(jìn)行鉆孔，鉆孔完成后，利用窺視儀設(shè)備進(jìn)行圍巖窺視，確定圍巖完整區(qū)域，然后利用切槽鉆頭在圍巖完整區(qū)域進(jìn)行開槽。開槽完成后，采用封隔器對(duì)開槽區(qū)域進(jìn)行封孔，然后連接封孔設(shè)備，對(duì)封孔器進(jìn)行注氣封孔，封孔器中的氣壓在15MPa左右，最后連接高壓注水泵，安裝水壓儀，對(duì)鉆孔不同深度的巖層進(jìn)行分層壓裂。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 壓裂鉆孔周圍監(jiān)測(cè)孔觀測(cè)

通過監(jiān)測(cè)布置在壓裂鉆孔兩側(cè)的監(jiān)測(cè)鉆孔涌水情況來分析裂縫的擴(kuò)展范圍。試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)測(cè)孔分別位于致裂孔15m，18m，20m，23m，通過致裂過程觀察監(jiān)測(cè)孔涌水情況。

當(dāng)監(jiān)測(cè)孔距離致裂孔15m和18m時(shí)，壓裂10～15min，監(jiān)測(cè)孔有大量水涌出;當(dāng)監(jiān)測(cè)孔距離致裂孔20m時(shí)，壓裂20min左右，監(jiān)測(cè)孔的水量有少量水流出;當(dāng)監(jiān)測(cè)孔距離致裂孔23m時(shí)，壓裂30min，監(jiān)測(cè)孔沒有水流出。進(jìn)行多組同樣試驗(yàn)，壓裂情況與該孔壓裂情況基本相同。

4.2 高壓泵水壓波動(dòng)曲線分析

注水致裂試驗(yàn)過程中，記錄了2個(gè)孔的注水泵壓力波動(dòng)曲線，變化曲線見圖5、圖6所示。

圖5 1號(hào)孔泵站壓力波動(dòng)曲線

圖6 2號(hào)孔泵站壓力波動(dòng)曲線

從圖5可以看出，在壓裂開始時(shí)，水壓儀壓力逐漸上升，達(dá)到17MPa時(shí)，突然泵壓下降，這主要由于巖層開裂，卸壓導(dǎo)致泵站壓力下降，隨著裂縫擴(kuò)展，泵站壓力開始保持穩(wěn)定，裂紋慢慢地進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至周圍鉆孔時(shí)，泵站壓力開始下降，關(guān)閉高壓泵，注水結(jié)束。

從圖6可以看出，在高壓泵壓裂時(shí)，水壓儀監(jiān)測(cè)曲線波動(dòng)比較明顯，水壓升降劇烈，這主要由于巖層中存在很多裂隙、弱結(jié)構(gòu)，當(dāng)高壓水進(jìn)入裂隙帶時(shí)，泵的水壓就會(huì)急劇下降，反之，則會(huì)急劇增加。

4.3 工作面來壓步距觀測(cè)

該工作面在未進(jìn)行定向水力致裂以前，屬于堅(jiān)硬難垮落頂板，工作面頂板的初次來壓步距達(dá)到了35m，周期來壓步距也達(dá)到了26m。來壓時(shí)，工作面有明顯的動(dòng)力現(xiàn)象，工作面的支架經(jīng)常受到?jīng)_擊破壞，巷道加強(qiáng)支護(hù)段錨桿也出現(xiàn)破斷現(xiàn)象。對(duì)該工作面進(jìn)行定向水力致裂以后，周期來壓步距基本在13～16m，來壓過程中，沖擊明顯減弱，巷道錨桿未見破斷現(xiàn)象。

綜上，定向水力致裂技術(shù)有效地改善了堅(jiān)硬頂板的難垮落問題，并且由于采用了切槽技術(shù)，在切槽處形成了應(yīng)力集中現(xiàn)象，所需壓力基本低于裂縫擴(kuò)展壓力。但是在工程實(shí)踐過程中，也存在一些問題，例如封孔困難、壓力不足等，這些問題有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

通過對(duì)堅(jiān)硬頂板水力致裂進(jìn)行數(shù)值模擬和工業(yè)性試驗(yàn)，得出如下結(jié)論:

(1)在進(jìn)行水力致裂時(shí)，切槽可有效降低裂縫破裂所需壓力;采用氣體膨脹式封隔器可對(duì)巖層堅(jiān)硬段進(jìn)行分段逐次壓裂。

(2)定向水力致裂可使裂縫在頂板中擴(kuò)展一定范圍，隨著壓裂處與孔口距離的增大，裂縫破裂和擴(kuò)展所需的壓力也相應(yīng)增大。

(3)在壓裂過程中，壓力－時(shí)間曲線并不完全相同，這主要是因?yàn)閹r石是非均質(zhì)體，再加上受圍巖裂隙、地應(yīng)力等因素的影響。

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