朱建建，宋 敏，張曉鴻

(1.山東水利職業(yè)學(xué)院 建筑工程系，日照 276826；2.北京市南水北調(diào)團(tuán)城湖管理處，北京 100093)

水力壓裂作為常規(guī)低滲透油氣增透技術(shù)，已經(jīng)在非常規(guī)油氣開(kāi)采、煤層氣開(kāi)發(fā)、地應(yīng)力測(cè)量、地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)、核廢料處理、煤礦井下巖層控制等領(lǐng)域推廣應(yīng)用，顯示出廣泛的應(yīng)用價(jià)值。波蘭在20世紀(jì)90年代初對(duì)水力壓裂技術(shù)在煤礦井下堅(jiān)硬頂板條件下的應(yīng)用進(jìn)行了研究[1]，并得到了良好的推廣應(yīng)用。我國(guó)的科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)水力壓裂技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用也展開(kāi)了研究[2-3]，該技術(shù)目前主要應(yīng)用在高應(yīng)力圍巖的卸壓[4]、工作面和順槽難以垮落頂板的控制[5]、低滲透高瓦斯(煤與瓦斯突出)煤層的增透[6]等領(lǐng)域，在工程應(yīng)用中取得了良好的效果。

1 工作面概況

1.1 地質(zhì)概況

表煤層及其頂板巖石物理力學(xué)參數(shù)

工作面正常和最大涌水量分別為499.6和749.4 m3/h，最大絕對(duì)瓦斯涌出量為0.87 m3/min，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，煤層自燃傾向性為容易自燃，地溫正常。

1.2 生產(chǎn)情況

143工作面賦存深度為80～210 m，平均130 m，傾斜長(zhǎng)度159.5 m，走向長(zhǎng)度1138 m，綜采一次采全高，全部垮落法管理頂板。工作面順槽斷面為倒梯形，凈寬4.2 m，凈高3.1 m，凈斷面12.54 m2，錨網(wǎng)支護(hù)方式。

2 水力壓裂數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

根據(jù)該煤礦143工作面和運(yùn)輸順槽現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用RFPA2D-Flow模擬軟件建立了143工作面端頭支架后部運(yùn)輸順槽頂板鉆孔水力壓裂數(shù)值模型，如圖1所示。該模型走向長(zhǎng)度設(shè)為40 m，高度設(shè)為20 m。老頂位于數(shù)值計(jì)算模型的上部，處于整個(gè)模型的壓裂區(qū)域，模擬壓裂孔位于老頂中心，直徑設(shè)為56 mm。

圖1 水力壓裂RFPA2D-Flow數(shù)值計(jì)算模型

RFPA2D-Flow數(shù)值模擬老頂?shù)南嚓P(guān)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試?yán)享攷r石試塊的滲透系數(shù)為0.03 m/s，含水率為0.2%，孔隙水壓力系數(shù)為0.15。結(jié)合煤巖體支承壓力分布特征[7-9]，煤巖體材料強(qiáng)度按照威布爾函數(shù)分布賦值，損傷本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。

圖2 不同階段的水力壓裂應(yīng)力云圖

設(shè)計(jì)壓裂孔為圓形，第1步設(shè)為壓裂孔開(kāi)挖完成。壓裂孔水壓加載方式為：初始水壓為20 MPa，單步增量值為0.2 MPa，采用逐步加載，直至模擬老頂巖層完全破裂為止。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.2.1 壓裂孔周?chē)鷰r層應(yīng)力分布規(guī)律

圖2分別為加載至Step10，Step60，Step110和Step160 4個(gè)階段的老頂巖層水力壓裂應(yīng)力云圖。在RFPA2D-Flow模擬結(jié)果的應(yīng)力云圖中，圖中顏色越明亮的地方表示該部位所受的應(yīng)力越大；顏色越藍(lán)的地方表示該部位所受應(yīng)力越小。

2.2.2 最大主應(yīng)力同壓裂孔距離的關(guān)系

圖3為壓裂孔水力壓裂時(shí)最大主應(yīng)力分布曲線，壓裂孔中心位置處于橫軸25 m處。

綜合數(shù)值模擬出的不同階段壓裂孔水力壓裂應(yīng)力云圖(圖2)和最大主應(yīng)力分布曲線(圖3)，可以得出：

1) 0—Step10階段，即水力壓裂剛開(kāi)始時(shí)，壓裂孔周?chē)鷰r體的應(yīng)力分布比較均勻，僅在壓裂孔附近的巖體中產(chǎn)生了塑性變形區(qū)和彈性變形區(qū)。

2) Step10—Step60階段，隨著壓裂孔內(nèi)注水壓力的升高，高壓水開(kāi)始?jí)喝雺毫芽妆谥車(chē)娜趺嬷?，壓裂孔中心半?0 m范圍內(nèi)存在一個(gè)較高的應(yīng)力，最高達(dá)24 MPa。并在孔的左右兩側(cè)形成一條傾斜的明亮帶，說(shuō)明壓裂孔周?chē)鷰r體產(chǎn)生了部分破壞。

3) Step60—Step110階段，壓裂孔壁的弱面繼續(xù)起裂并不斷延伸，形成了一個(gè)“十”字交叉形裂隙。壓裂孔中心半徑13 m范圍內(nèi)存在一個(gè)較高的應(yīng)力，約為22.5 MPa，較Step10—Step60階段最高應(yīng)力24 MPa小。此階段壓裂孔周?chē)膸r體應(yīng)力集中區(qū)持續(xù)向老頂巖層深部移動(dòng)，同時(shí)，卸壓區(qū)范圍也逐步擴(kuò)大。

4) Step110—Step160階段，壓裂孔左右兩側(cè)偏約10°方向各形成了一條長(zhǎng)約為13 m的裂隙，與之垂直的方向則形成了兩條長(zhǎng)度各約為7 m的裂隙，并在已經(jīng)形成的裂隙外圍有零星分布的破裂點(diǎn)，但沒(méi)有與“十”字交叉形裂隙溝通。壓裂孔中心半徑13 m范圍內(nèi)存在一個(gè)較高的應(yīng)力，約為18 MPa，又較Step60—Step110階段最高應(yīng)力22.5 MPa小。

圖3 壓裂孔最大主應(yīng)力分布曲線

根據(jù)上述模擬結(jié)果可知，143運(yùn)輸順槽老頂水力壓裂在不同階段主應(yīng)力變化主要表現(xiàn)為：不同壓裂階段應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力峰值均不相同，壓裂開(kāi)始階段(Step10—Step60)應(yīng)力峰值最大，隨后壓裂孔兩側(cè)的應(yīng)力峰值逐漸減小，待壓裂完成時(shí)(Step160)，壓裂孔周?chē)鷳?yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力峰值最小。

通過(guò)對(duì)143運(yùn)輸順槽老頂巖層實(shí)施水力壓裂后，破壞了老頂巖層原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，降低了壓裂孔附近區(qū)域巖層的應(yīng)力，從而產(chǎn)生了卸壓區(qū)，但在卸壓區(qū)外圍巖層中又產(chǎn)生了新的應(yīng)力集中區(qū)。因此，依照數(shù)值模擬結(jié)果，143運(yùn)輸順槽老頂巖層壓裂后應(yīng)力區(qū)域劃分如下：以壓裂孔為中心，半徑10 m范圍內(nèi)為卸壓區(qū)，10～13 m的范圍為應(yīng)力集中區(qū)，13 m以外為原巖應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力分布示意如圖4所示。

3 水力壓裂卸壓設(shè)計(jì)

3.1 水力壓裂鉆孔布置及參數(shù)

根據(jù)143運(yùn)輸順槽老頂巖層水力壓裂數(shù)值模擬結(jié)果，水力壓裂的影響半徑范圍為7～10 m，綜合最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則、頂板巖層結(jié)構(gòu)、厚度、巖性、143運(yùn)輸順槽斷面等分析，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

1) 從下區(qū)段145回風(fēng)順槽向143運(yùn)輸順槽頂板上方施工10個(gè)跨煤柱壓裂試驗(yàn)鉆孔，即A1—A10號(hào)孔。

2) 鉆孔A1—A3位于143工作面端頭支架后部運(yùn)輸順槽，鉆孔A4—A10位于143工作面端頭支架前部運(yùn)輸順槽，如圖5所示。

圖5 水力壓裂鉆孔走向布置(單位：m)

圖6 壓裂A參數(shù)(單位：m)

3) 鉆孔開(kāi)口位置均距離145回風(fēng)順槽底板2.2 m處。

4) 鉆孔參數(shù)為鉆孔長(zhǎng)度36.34 m，傾角為38°，如圖6所示。

3.2 鉆孔施工及壓裂參數(shù)

1) 鉆孔設(shè)備。鉆孔施工采用ZDY1200S鉆機(jī)及配套鉆機(jī)平臺(tái)，采用56 mm直徑鉆頭、42 mm直徑鉆桿施鉆。

2) 壓裂次數(shù)。設(shè)計(jì)采用后退式單孔兩次壓裂，從鉆孔底部(第1段壓裂位置)逐步向孔口壓裂，壓裂間隔5.6 m，壓裂到距孔口30.74 m(第2段壓裂位置)處停止壓裂。

3) 壓裂時(shí)間。設(shè)計(jì)壓裂時(shí)間為30 min，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水壓變化和頂板巖層出水情況適時(shí)調(diào)整。

4) 鉆孔施工和壓裂作業(yè)方式。為減少壓裂占用145回風(fēng)順槽的時(shí)間，鉆孔施工和水力壓裂采用平行作業(yè)的方式，間距不小于20 m。

4 水力壓裂效果分析

4.1 鉆孔記錄分析

從施工的10個(gè)鉆孔壓裂統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得出，同一個(gè)鉆孔第1段壓裂時(shí)的壓力均大于第2段的壓力，第1段壓力值基本集中在20～35 MPa，第2段壓力值基本集中在18～28 MPa，鉆孔的壓裂壓力均低于3ZSB80/62-90型注水泵的最大工作壓力62 MPa。

4.2 壓裂壓力與時(shí)間關(guān)系

1) 從開(kāi)始?jí)毫训綁毫Ψ逯?，一般需?～8 min，此后由于巖體的原生裂隙進(jìn)一步張開(kāi)或開(kāi)始形成新的裂縫，壓力小幅度降低。隨著裂隙持續(xù)增加，壓力繼續(xù)降低，然后維持在一定的壓力水平。

圖7 143運(yùn)輸順槽頂板垮落情況

2) 當(dāng)壓裂區(qū)域頂板出現(xiàn)淋水，此時(shí)壓裂工作結(jié)束。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，第1段的壓裂時(shí)間為22～30 min，第2段的壓裂時(shí)間為16～23 min。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)效果分析

從下區(qū)段145回風(fēng)順槽向143運(yùn)輸順槽頂板上方施工10個(gè)跨煤柱壓裂試驗(yàn)鉆孔，合計(jì)施工鉆孔長(zhǎng)度為363.4 m，工期為5 d。143工作面開(kāi)始正常推進(jìn)后，壓裂工作一直跟隨工作面后部及時(shí)進(jìn)行，端頭支架后部運(yùn)輸順槽頂板能夠分段逐步垮落，且垮落充分，如圖7所示。

5 結(jié)論

1) 利用RFPA2D-Flow進(jìn)行數(shù)值模擬分析，當(dāng)給壓裂孔注水壓力達(dá)到24 MPa時(shí)，所壓巖體開(kāi)始起裂，隨后壓裂裂隙向巖體深部呈“十”字形擴(kuò)展。當(dāng)壓裂結(jié)束時(shí)，裂隙延伸擴(kuò)展的長(zhǎng)度可達(dá)到7～13 m。以壓裂孔為中心，半徑10 m的范圍內(nèi)為卸壓區(qū)，半徑10～13 m的范圍為應(yīng)力集中區(qū)，半徑大于13 m的范圍為原始應(yīng)力區(qū)。數(shù)值模擬為143運(yùn)輸順槽老頂巖層水力壓裂鉆孔布置及參數(shù)提供了有效參考。

2) 10個(gè)試驗(yàn)壓裂孔水力壓裂時(shí)第1段孔壓力值基本集中在20～35 MPa，壓裂時(shí)間為22～30 min，第2段孔壓力值基本集中在18～28 MPa，壓裂時(shí)間為16～23 min，表明壓裂鉆孔的布置及參數(shù)選擇合理，在壓裂影響范圍內(nèi)，能夠有效地降低巖層應(yīng)力狀況，達(dá)到壓裂破壞143運(yùn)輸順槽頂板巖體的目的。

3) 143工作面端頭支架后部運(yùn)輸順槽頂板在實(shí)施水力壓裂后能夠充分垮落，較好地解決了143運(yùn)輸順槽懸頂、瓦斯經(jīng)常超限的問(wèn)題，確保了礦井安全生產(chǎn)。

4) 基于本礦井的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，水力壓裂控制頂板技術(shù)具有安全性高、施工速度快和控頂效果好等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決工作面和順槽堅(jiān)硬頂板控制的問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)礦井安全高效開(kāi)采。