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        縱向切槽水力壓裂裂縫偏轉(zhuǎn)規(guī)律研究

        2021-10-28 04:55:26仇海生呂曉波張開(kāi)加郭懷廣
        煤炭科學(xué)技術(shù) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:主應(yīng)力水力角度

        徐 成,仇海生,呂曉波,張開(kāi)加,郭懷廣

        (1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110016;2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122)

        0 引 言

        隨著開(kāi)采深度與強(qiáng)度的增加以及沿空留巷技術(shù)的推廣應(yīng)用,強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道問(wèn)題日益突出,給巷道的支護(hù)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn),經(jīng)常出現(xiàn)采用各種支護(hù)方式甚至聯(lián)合支護(hù)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)圍巖良好控制的情況[1-3]。

        強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道具有變形速度快、變形量大,而且無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定的特點(diǎn),其產(chǎn)生快速大變形的主要原因除了受工作面前方和側(cè)向支承壓力峰值區(qū)的動(dòng)態(tài)遷移影響外,與巷道上方懸壁梁的存在緊密相關(guān)[4-6]。針對(duì)沿空留巷強(qiáng)烈動(dòng)壓?jiǎn)栴},各位專(zhuān)家學(xué)者提出了多種技術(shù)方法:文獻(xiàn)[7-9]提出了基于爆破切頂卸壓的無(wú)煤柱沿空成巷技術(shù),該方法能夠切割頂板懸臂,然而施工程序較為復(fù)雜,爆破鉆孔間距一般在600 mm左右,施工成本較高;同煤集團(tuán)自主研發(fā)了KLJ型礦用智能鏈臂鋸切頂機(jī),能夠?qū)崿F(xiàn)直接頂?shù)臋C(jī)械切割,切面光滑,切頂效果較好,然而目前最大切割深度僅能達(dá)到6.6 m,對(duì)于上方堅(jiān)硬基本頂?shù)那懈钊詿o(wú)法實(shí)現(xiàn)[10];文獻(xiàn)[11-13]先后開(kāi)發(fā)研制了橫向和縱向切槽鉆頭,基本能實(shí)現(xiàn)任意方向的割縫(相較于橫向切槽,縱向切槽更有利頂板垮落卸壓),然而裂縫在定向開(kāi)裂后通常受最大主應(yīng)力的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

        目前基于縱向切槽水力壓裂的裂縫擴(kuò)展規(guī)律研究較少[14-16],且未對(duì)多因素影響下的裂縫偏轉(zhuǎn)規(guī)律展開(kāi)系統(tǒng)性研究。筆者通過(guò)建立縱向切槽水力壓裂數(shù)值模型,在可靠性得到驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,對(duì)水平應(yīng)力比、切槽角度以及泵流量對(duì)裂縫偏轉(zhuǎn)距(將擴(kuò)展路徑上一點(diǎn)與裂縫開(kāi)裂點(diǎn)連線(xiàn)與切槽方向呈1/2切槽角度時(shí)的長(zhǎng)度定義為偏轉(zhuǎn)距)的影響規(guī)律展開(kāi)研究,以期對(duì)縱向切槽水力壓裂裂縫的擴(kuò)展規(guī)律有更加深入的認(rèn)識(shí),為水力壓裂施工鉆孔間距設(shè)計(jì)提供參考,并嘗試對(duì)裂縫的擴(kuò)展路徑進(jìn)行人工干預(yù),進(jìn)而更好地應(yīng)用于動(dòng)壓巷道連續(xù)切頂卸壓等方面。

        1 數(shù)值模型可靠性驗(yàn)證

        1.1 數(shù)值模型設(shè)計(jì)

        煤礦井下水力壓裂裂縫擴(kuò)展路徑檢測(cè)手段受限,通過(guò)與前期縱向切槽水力壓裂物理試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,對(duì)數(shù)值模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。采用ABAQUS軟件中的XFEM模塊,參照物理試塊尺寸,設(shè)計(jì)數(shù)值模型尺寸為300 mm×300 mm,其中網(wǎng)格尺寸為5 mm×5 mm,在模型中心處預(yù)置長(zhǎng)度為10 mm的原始裂縫對(duì)縱向切槽進(jìn)行模擬,將其中心點(diǎn)設(shè)為注入點(diǎn),X、Y、Z方向邊界均采用固支約束,并施加三向應(yīng)力場(chǎng)。

        通過(guò)添加*Cflow命令流對(duì)流固耦合特性進(jìn)行定義,將流體設(shè)置為牛頓流體,并對(duì)其大小進(jìn)行定義,將巖體滲流定義為達(dá)西滲流。裂縫的起裂擴(kuò)展采用最大主應(yīng)力判斷準(zhǔn)則,即:

        (1)

        1.2 數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

        參照煤礦井下地應(yīng)力數(shù)據(jù)庫(kù)[17],水平應(yīng)力比多集中于1.5~2.0,此處分別設(shè)置垂直地應(yīng)力σv為10 MPa、最小水平主應(yīng)力σh為6 MPa、最大水平主應(yīng)力σH為9 MPa以及σv=10 MPa、σh=6 MPa、σH=12 MPa兩種地應(yīng)力條件。參照煤礦頂板砂巖一般力學(xué)性質(zhì),在相似配比試驗(yàn)的基礎(chǔ)上制作了水泥砂漿試件24塊。

        將擴(kuò)展路徑上一點(diǎn)與裂縫開(kāi)裂點(diǎn)連線(xiàn)與切槽方向呈1/2切槽角度時(shí)的長(zhǎng)度定義為偏轉(zhuǎn)距,用L表示,如圖1所示。在地應(yīng)力條件為σv=10 MPa、σh=6 MPa、σH=9 MPa條件下,設(shè)置切槽角度θ為45°,在幾種不同泵流量壓裂效果測(cè)試后,為避免流量過(guò)大裂縫偏轉(zhuǎn)路徑超出邊界或流量過(guò)小裂縫較快偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致的裂縫偏轉(zhuǎn)距不易觀測(cè),此處設(shè)置泵流量P為1.0 mL/s,對(duì)6號(hào)試件進(jìn)行了真三軸水力壓裂試驗(yàn),并對(duì)該過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,結(jié)果對(duì)比如圖2所示,兩者裂縫擴(kuò)展形態(tài)較為接近,其中1、2號(hào)裂縫偏轉(zhuǎn)距分別為136、109 mm,平均偏轉(zhuǎn)距為122.5 mm,6號(hào)試件裂縫平均偏轉(zhuǎn)距為114.5 mm,相差較小。

        圖1 裂縫偏轉(zhuǎn)距示意Fig.1 Schematic of crack deflection distance

        圖2 6號(hào)試件試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.2 Test results comparison of No.6 sample

        在地應(yīng)力為σv=10 MPa、σh=6 MPa、σH=12 MPa條件下,設(shè)置切槽角度為60°,泵流量為1.0 mL/s,23號(hào)試件的結(jié)果對(duì)比如圖3所示,裂縫擴(kuò)展形態(tài)較為接近,數(shù)值模擬與物理試驗(yàn)平均偏轉(zhuǎn)距分別為39.0、42.5 mm,兩者相差較小,由此可見(jiàn)該數(shù)值模型可靠性較高。

        圖3 23號(hào)試件試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Test results comparison of No.23 sample

        2 大尺寸縱向切槽水力壓裂數(shù)值模擬

        根據(jù)實(shí)際壓裂施工中鄰近鉆孔涌水情況,裂縫擴(kuò)展半徑一般在10~20 m[18],故設(shè)計(jì)建立XFEM模型尺寸為60 m×60 m,網(wǎng)格尺寸為0.5 m×0.5 m,X、Y、Z方向邊界采用固支約束,采用植入初始裂縫的方式實(shí)現(xiàn)縱向切槽的模擬。為便于對(duì)數(shù)值模型裂縫沿切槽方向開(kāi)裂的過(guò)程進(jìn)行觀察,且水壓在初始裂縫切向做功相較于未壓區(qū)域可忽略不計(jì),設(shè)置初始裂縫長(zhǎng)度為0.2 m(目前縱向切槽多采用刀具式切槽鉆頭,然而刀具損壞較大,高壓水射流縱向切槽裝置需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研制,有望取得更優(yōu)的切槽效果),中點(diǎn)設(shè)置注入點(diǎn)。參照巷道上方堅(jiān)硬頂板砂巖的一般力學(xué)性質(zhì)[19-20],設(shè)置力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 模型巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Model rock mechanics parameters

        3 水平應(yīng)力比對(duì)裂縫偏轉(zhuǎn)距影響規(guī)律

        以煤礦井下地應(yīng)力分布規(guī)律為參考,設(shè)置σv=10 MPa、σh=6 MPa,通過(guò)改變最大水平主應(yīng)力大小,改變水平應(yīng)力比R,即σH/σh,令其分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.5,設(shè)置切槽角度θ=60°,泵流量設(shè)置為90 L/min(目前施工常用流量)。

        水平應(yīng)力比為1.0條件下,水力壓裂模擬結(jié)果如圖4所示,裂縫沿切槽方向起裂擴(kuò)展,擴(kuò)展過(guò)程中未發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)。

        圖4 水平應(yīng)力比1.0水力壓裂結(jié)果Fig.4 Hydraulic fracturing result of horizontal stress ratio 1.0

        水平應(yīng)力比為1.5、2.0、2.5、3.5情況下裂縫擴(kuò)展情況如圖5所示,裂縫沿著切槽方向起裂后,發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)向,裂縫近似呈S型雙翼非對(duì)稱(chēng)形態(tài),對(duì)比各組模擬結(jié)果,隨著水平應(yīng)力比的增大,裂縫沿最小主應(yīng)力的擴(kuò)展距離逐漸減小,裂縫形態(tài)趨于縮緊;對(duì)各組裂縫偏轉(zhuǎn)距進(jìn)行觀測(cè),并以擴(kuò)展較充分的一側(cè)為主要分析研究對(duì)象,繪制水平應(yīng)力比-偏轉(zhuǎn)距曲線(xiàn)如圖6所示。

        圖5 不同水平應(yīng)力比裂縫擴(kuò)展情況Fig.5 Crack propagation at different horizontal stress ratios

        圖6 水平應(yīng)力比-偏轉(zhuǎn)距曲線(xiàn)Fig.6 Horizontal stress ratio-deflection distance curve

        水平應(yīng)力比由1.5增加到2.0、2.5、3.5過(guò)程中,裂縫偏轉(zhuǎn)距由4.05、1.81、0.78 m,再減小到0.46 m,先后減小了55.3%、56.9%和41%,由此可見(jiàn)水平應(yīng)力比對(duì)裂縫擴(kuò)展路徑以及裂縫偏轉(zhuǎn)距影響較大,為裂縫偏轉(zhuǎn)距的重要影響因素。

        4 切槽角度對(duì)裂縫偏轉(zhuǎn)距影響規(guī)律

        設(shè)置地應(yīng)力條件為σv=10 MPa、σh=6 MPa、σH=9 MPa,流量設(shè)置為90 L/min。切槽角度分別設(shè)計(jì)為30°、45°與60°,模擬結(jié)果如圖7所示,不同切槽角度裂縫擴(kuò)展形態(tài)相差較大,繪制切槽角度-偏轉(zhuǎn)距曲線(xiàn)如圖8所示。

        圖7 不同切槽角度裂縫擴(kuò)展情況Fig.7 Crack propagation at different cutting angles

        切槽角度由30°增加到45°、60°過(guò)程中,裂縫偏轉(zhuǎn)距由2.83 m減小到2.68,增加到2.9 m,先減小了5.3%又增加了8.2%,變化量與變化幅度均較小。

        可見(jiàn),切槽角度對(duì)裂縫的擴(kuò)展路徑影響較大,對(duì)裂縫偏轉(zhuǎn)距影響相對(duì)較小,因此,應(yīng)根據(jù)實(shí)際的地應(yīng)力條件以及切頂設(shè)計(jì)需要,對(duì)切槽角度進(jìn)行選取。

        5 泵流量對(duì)裂縫偏轉(zhuǎn)距影響規(guī)律

        水平應(yīng)力比為重要的裂縫偏轉(zhuǎn)距影響因素,設(shè)置1.5、2.0以及2.5三種水平應(yīng)力比條件,設(shè)置切槽角度為60°,進(jìn)行泵流量對(duì)縱向切槽水力壓裂裂縫偏轉(zhuǎn)距影響規(guī)律研究。施工現(xiàn)場(chǎng)常用泵流量為90 L/min,因此設(shè)置6組泵流量,分別為30、60、90、120、150以及180 L/min。

        5.1 水平應(yīng)力比為1.5條件下

        地應(yīng)力為σv=10 MPa、σh=6 MPa、σH=9 MPa條件下,不同泵流量裂縫擴(kuò)展情況如圖9所示。由圖9可見(jiàn),裂縫自切槽方向開(kāi)裂后,均很快轉(zhuǎn)向最大主應(yīng)力方向,裂縫擴(kuò)展近似呈S型雙翼非對(duì)稱(chēng)形態(tài),且裂縫擴(kuò)展形態(tài)隨著泵流量的增大而趨于舒緩,對(duì)各組裂縫偏轉(zhuǎn)距進(jìn)行觀測(cè),繪制泵流量-偏轉(zhuǎn)距曲線(xiàn),如圖10所示。

        圖9 不同泵流量裂縫擴(kuò)展情況Fig.9 Crack propagation at different pump flows

        圖10 泵流量-偏轉(zhuǎn)距曲線(xiàn)Fig.10 Pump flow-deflection curve

        裂縫偏轉(zhuǎn)距隨著泵流量的增大不斷增大,泵流量由30 L/min增加到180 L/min的過(guò)程中,偏轉(zhuǎn)距由2.92 m增加到4.62 m,增加了58.2%,增長(zhǎng)幅度較大,目前常用注水泵流量為90 L/min,其裂縫偏轉(zhuǎn)距為4.05 m,現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中可以通過(guò)大幅提升泵流量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)距的大幅增加。

        5.2 水平應(yīng)力比為2.0條件下

        地應(yīng)力條件為σv=10 MPa、σh=6 MPa、σH=12 MPa條件下,切槽角度45°,不同泵流量裂縫擴(kuò)展情況如圖11所示,裂縫自切槽方向開(kāi)裂后,均較迅速偏向最大主應(yīng)力方向,裂縫擴(kuò)展近似呈S型雙翼非對(duì)稱(chēng)形態(tài),隨著泵流量的增大,裂縫擴(kuò)展形態(tài)逐漸趨于舒緩,對(duì)裂縫偏轉(zhuǎn)距進(jìn)行觀測(cè),繪制泵流量-偏轉(zhuǎn)距曲線(xiàn),如圖12所示。

        圖11 不同泵流量裂縫擴(kuò)展情況Fig.11 Crack propagation at different pump flows

        圖12 泵流量-偏轉(zhuǎn)距曲線(xiàn)Fig.12 Pump flow-deflection curve

        隨著泵流量的增大裂縫偏轉(zhuǎn)距不斷增大,由1.62 m增加到2.56 m,增加了58%,增長(zhǎng)幅度較大。由此可見(jiàn),水平應(yīng)力比為2.0的條件下,泵流量對(duì)裂縫偏轉(zhuǎn)距影響仍較大,目前常用注水泵流量為90 L/min,其裂縫偏轉(zhuǎn)距為1.81 m,同樣可以通過(guò)大幅提升泵流量的方式實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)距的大幅增加。

        5.3 水平應(yīng)力比為2.5條件下

        地應(yīng)力條件為σv=10 MPa、σh=6 MPa、σH=15 MPa條件下,切槽角度45°,不同泵流量裂縫擴(kuò)展情況如圖13所示,裂縫自切槽方向起裂后,迅速轉(zhuǎn)向最大主應(yīng)力方向,近似呈S型非對(duì)稱(chēng)雙翼形態(tài),泵流量由30 L/min增加到180 L/min過(guò)程中,裂縫擴(kuò)展路徑無(wú)明顯變化,偏轉(zhuǎn)距相差較小,保持在0.75 m左右,需大幅度提升泵流量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫擴(kuò)展路徑的人工干預(yù)。

        圖13 不同泵流量裂縫擴(kuò)展情況Fig.13 Crack propagation at different pump flows

        6 結(jié) 論

        1)水平應(yīng)力比為1.0條件下,裂縫沿著切槽方向起裂擴(kuò)展;水平應(yīng)力比由1.5增加到3.5,裂縫呈S型雙翼非對(duì)稱(chēng)擴(kuò)展形態(tài),偏轉(zhuǎn)距由4.05 m減小到1.81、0.78、0.46 m,裂縫偏轉(zhuǎn)距先后減小55.3%、56.9%和41%,水平應(yīng)力比為重要的裂縫偏轉(zhuǎn)距影響因素。

        2)切槽角度由30°增加到45°、60°,裂縫擴(kuò)展路徑相差較大,偏轉(zhuǎn)距由2.83 m減小到2.68 m,增加到2.9 m,先減小了5.3%又增加了8.2%,變化量較小,施工設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件與需要,選取合適切槽角度。

        3)水平應(yīng)力比為1.5條件下,隨著泵流量的增大,裂縫偏轉(zhuǎn)距不斷增大,由30 L/min增加到180 L/min過(guò)程中,偏轉(zhuǎn)距由2.92 m增加到4.62 m,增加了58.2%,增長(zhǎng)幅度較大,目前常用注水泵流量為90 L/min,其偏轉(zhuǎn)距為4.05 m,可通過(guò)提升泵流量,實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)距的大幅增加。

        4)水平應(yīng)力比為2.0條件下,裂縫偏轉(zhuǎn)距隨著泵流量的增大不斷增大,由1.62 m增加到2.56 m,增加了58%,增長(zhǎng)幅度較大。目前常用注水泵流量條件下偏轉(zhuǎn)距為1.81 m,可通過(guò)提高泵流量,實(shí)現(xiàn)裂縫偏轉(zhuǎn)距較大增長(zhǎng)。

        5)水平應(yīng)力比為2.5條件下,泵流量由30 L/min增加到180 L/min過(guò)程中,裂縫擴(kuò)展路徑無(wú)明顯變化,裂縫偏轉(zhuǎn)距相差較小,保持在0.75 m左右,需大幅度提升泵流量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫擴(kuò)展路徑的人工干預(yù)。

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