厚硬頂板定向水力壓裂數(shù)值模擬研究

馮新慶

【摘 要】 本文針對厚硬頂板難以自行垮落等問題，提出采用定向水力致裂技術(shù)處理。對定向裂隙的起裂機理、水在定向裂縫中的滲流特點進行了理論分析，同時對定向切槽鉆孔和未切槽鉆孔中，裂縫的擴展演化過程進行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果具有一定的參考價值。

【關(guān)鍵詞】 定向水力致裂;裂縫擴展;數(shù)值模擬

【中圖分類號】 TD713+.33 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）04-0035-02 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

隨著開采規(guī)模、開采強度的加大，煤炭安全事故頻繁產(chǎn)生。其中，在堅硬頂板中，由于頂板難以自行垮落，往往會出現(xiàn)頂板大面積懸空現(xiàn)象，頂板一旦垮落，極易造成壓架、颶風(fēng)傷人、瓦斯超限等問題。采用水力壓裂的技術(shù)能夠有效解決上述問題。采用定向水壓致裂技術(shù)，使巖層按照預(yù)定方向破裂，從而對巖層的破壞進行控制。

1水壓致裂裂縫起裂機理

煤巖層本身為不均勻介質(zhì)，煤層內(nèi)存在許多原生裂隙，在外力的作用下，會產(chǎn)生許多新生裂隙，兩種裂隙均會影響鉆孔周圍的應(yīng)力分布，采用水力壓裂時，起裂部位首先發(fā)生在裂隙存在的部位。

裂隙存在開型和閉型兩種類型，當進行是水壓致裂時，高壓水進入裂縫中，首先作用于開型裂縫靠近鉆孔的一端使其擴展;當水充滿裂縫后，在水壓和巖石圍壓的共同作用下，裂縫尖端發(fā)生破裂。對于閉型裂縫，在高壓水的作用下發(fā)生破裂，轉(zhuǎn)化為開型裂縫，進而發(fā)生擴展。

2定向裂隙內(nèi)高壓水滲流特點

煤體在進行水壓致裂前，內(nèi)部存在許多原生裂隙，這些孔裂隙用于水、氣體的儲存、運移等。對煤層進行定向水力壓裂，在鉆孔內(nèi)開切槽，形成定向裂縫，向鉆孔內(nèi)注入高壓水后，定向裂縫成為高壓水的主要滲流通道，同時以此為中心，向四周擴散，使煤層內(nèi)封閉的原生裂隙擴展，并產(chǎn)生許多新的次生裂隙。

在宏觀上，對煤層進行高壓注水后，水在其中的滲流主要表現(xiàn)為三個部分：距離鉆孔最近的區(qū)域，高壓水對煤體進行改造，使其原生裂隙擴展，并產(chǎn)生許多新生裂隙，煤體內(nèi)部水滲透空間增加;定向裂縫中間部位處，水僅在原生裂隙中滲流;在定向裂縫遠端，在毛細管力的驅(qū)動作用下，水在原生裂隙內(nèi)遷移。

3裂縫擴展數(shù)值模擬研究

根據(jù)定向水力致裂的原理，采用RFPA模擬軟件對煤層裂隙擴展進行數(shù)值模擬，分析定向水力致裂對煤層裂隙擴展的作用效果。

3.1模型建立

因為只研究裂縫的擴展規(guī)律，所以建立二維平面應(yīng)力模型，模型大小為2000mm×2000mm，單元劃分個數(shù)為400×400，采用Weibull對其力學(xué)參數(shù)進行賦值。鉆孔位于模型的正中央，直徑取為60mm。模型初始水壓力為2MPa，水平方向加載圍壓設(shè)為10MPa，垂直方向加載圍壓設(shè)為13MPa，高壓注水壓力增值為1MPa/步。分別建立無切槽和有切槽的計算模型，如圖1所示。模型其他參數(shù)見表1。

3.2模擬結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬過程，通過利用水壓力的分布演化過程，對比分析無切槽和有切槽兩種情況下煤體破碎裂縫擴展過程，如圖2、3所示。

未切槽時，鉆孔內(nèi)部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，嚴重影響了煤層的滲透性，短時間內(nèi)很難出現(xiàn)裂隙。隨著注水壓力的增加，鉆孔周圍慢慢出現(xiàn)了一些微小的裂紋，隨著時間的推移，裂隙不斷產(chǎn)生和擴展，在水壓作用下，逐漸出現(xiàn)較大的宏觀裂縫。同時，裂縫相互貫通，出現(xiàn)兩條主裂縫，周圍出現(xiàn)裂縫網(wǎng)，裂縫擴展方向不易控制。

在切槽鉆孔內(nèi)，由于切槽作用，鉆孔周圍應(yīng)力集中區(qū)遭到破壞，使得煤層滲透性大大增加，在切槽頂端迅速出現(xiàn)大量的孔裂隙。在注水壓力的作用下，裂縫逐漸擴展、延伸并相互貫通，形成較大的裂縫。隨著注水壓力的增加，裂縫與鉆孔相互貫通，同時形成許多裂縫群，大大提高了煤層的滲透性。

通過對比分析可知，相比于未切槽的鉆孔，切槽鉆孔在采用水力壓裂后，裂隙發(fā)育速度更快，同時裂縫的擴展方向更容易控制，所需要的注水壓力值也較小。所以，采用定向水壓致裂技術(shù)，能有效達到控制煤層破壞的效果，提高煤層的滲透性和產(chǎn)量。

4結(jié)論

文章分析了巖石水力壓裂裂隙的起裂機理以及高壓水在定向裂縫中的滲流特點，同時對裂縫的擴展演化過程進行了數(shù)值模擬研究，得出與未切槽鉆孔相比，切槽鉆孔的裂縫起裂所需的時間更短，起裂壓力更小，同時在一定范圍內(nèi)，可對裂縫的擴展方向進行控制，形成了較多的裂縫，對巖石的破壞作用效果更好。

【參考文獻】

[1]胡徐騰.我國化石能源清潔利用前景展望[J].化工進展，2017，36（9）：3145-3151.

[2]李化敏，蘇承東，宋常勝，等.采空區(qū)頂板垮落與瓦斯涌出關(guān)系的模擬實驗研究[J].煤炭工程，2007（11）：72-75.

[3]趙寧.顧橋礦1123（1）工作面深孔預(yù)裂爆破控制放頂與瓦斯治理技術(shù)[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2014.

[4]胡浩.水力壓裂在綜放工作面應(yīng)用研究[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2017（2）：86-87.

[5]李鵬.低透氣煤層水力壓裂數(shù)值模擬及應(yīng)用[J].山西能源學(xué)院學(xué)報，2017，30（4）：61-62，68.

[6]黃小朋，張鵬鵬，閆耀飛，等.礦井堅硬頂板定向水力壓裂技術(shù)研究[J].中國煤炭，2017，43（7）：55-57，80.

[7]張向陽.定向水力壓裂在煤礦堅硬頂板弱化中的應(yīng)用[J].山西煤炭，2016，36（4）：34-36+40.