李 昂

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030024)

我國煤層賦存條件復(fù)雜，屬于堅(jiān)硬難垮頂板的煤層約占1/3，分布在 50% 以上的礦區(qū)[1].堅(jiān)硬頂板是指巖性較為堅(jiān)硬的巷道頂板，在開采過程中由于其力學(xué)性能較好，使得開采過程中無法及時(shí)垮落，在巷道的頂板形成大面積的懸頂，此時(shí)隨著外部載荷及自身重力的影響，懸頂一旦發(fā)生垮落會(huì)造成極大的沖擊地壓，嚴(yán)重威脅礦井的安全。目前針對(duì)堅(jiān)硬頂板治理的方法很多，大致可分為水力壓裂、靜力卸壓、爆破卸壓等[1-4]，考慮到我國煤礦發(fā)展方向逐步向著綠色邁進(jìn)，所以水力壓裂切頂卸壓技術(shù)凸顯出其優(yōu)越性。屯蘭礦目前主采煤層為8#，煤層平均厚度為3.1 m，12201工作面四周為未開采煤層，工作面的走向長度為320 m，主采煤層為2#煤層，平均厚度為1.9 m，平均傾角為2.1°，煤層整體較為穩(wěn)定。工作面埋深較淺，整體巖性較為堅(jiān)硬，頂板管理難度較大，需對(duì)頂板進(jìn)行切頂研究。

1 模型的建立

水力壓裂是通過對(duì)巖層鉆孔內(nèi)部進(jìn)行注液，使鉆孔內(nèi)部能量快速聚集，從而達(dá)到壓裂效果的一種方法，在此基礎(chǔ)上后續(xù)又衍生出定向水力壓裂，通過在鉆孔內(nèi)部進(jìn)行預(yù)切縫，在鉆孔內(nèi)部形成薄弱面，使得巖石的起裂沿著預(yù)制縫的方向，達(dá)到定向壓裂的目的。在壓裂過程中巖體的裂縫形態(tài)大致可分為3種，見圖1.

圖1 巖石裂縫擴(kuò)展類型圖

如圖1所示，張開型是指在垂直于裂縫面方向的拉應(yīng)力作用下巖石的相對(duì)移動(dòng)方向垂直于裂縫面，形成垂直于拉應(yīng)力方向的裂縫；滑移型裂縫是在平行于裂縫面方向的剪應(yīng)力作用下形成相對(duì)錯(cuò)動(dòng)裂縫；撕裂型裂縫同樣是在平行于裂縫面的剪應(yīng)力作用下形成撕裂裂縫。

為了對(duì)不同水力壓裂參數(shù)下巖石壓裂效果進(jìn)行分析，利用模擬軟件comsol進(jìn)行分析，首先進(jìn)行模型建立，建立模型尺寸為300 mm×300 mm，在模型的中心位置設(shè)定鉆孔，鉆孔直徑為25 mm，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到模型網(wǎng)格劃分較小時(shí)計(jì)算時(shí)間較長，但模型網(wǎng)格尺寸劃分較大則會(huì)影響模型的計(jì)算精度，所以設(shè)定在靠近鉆孔100 mm的范圍內(nèi)進(jìn)行模型的細(xì)劃分，在距離鉆孔200 mm以外部分適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行粗劃分，完成網(wǎng)格劃分后對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)地應(yīng)力分布情況，在Y方向施加最小水平應(yīng)力，在X方向施加最大水平主應(yīng)力，應(yīng)力的方向指向模型，完成設(shè)定后在模型鉆孔內(nèi)部布置注液孔。完成上述操作后，參照巖石實(shí)際物理參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行設(shè)定，完成模型的建立。

2 模擬分析

對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，應(yīng)力分布云圖見圖2.

圖2 水力壓裂應(yīng)力分布云圖

從圖2可以看出，當(dāng)巖石進(jìn)行注液后巖石內(nèi)部形成對(duì)稱分布的應(yīng)力梯度，對(duì)稱軸為模型垂直方向的中線，在靠近鉆孔附近出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在沿著最大主應(yīng)力方向的鉆孔壁附近，應(yīng)力最大值為9.8 MPa，這是由于在鉆孔內(nèi)部注液過程中，由于應(yīng)力差的作用，巖石的起裂沿著易發(fā)生的位置，即垂直于最小主應(yīng)力方向。

對(duì)不同壓裂參數(shù)下巖石裂縫的擴(kuò)展效果進(jìn)行分析，首先對(duì)不同應(yīng)力差下的裂縫擴(kuò)展寬度進(jìn)行分析，應(yīng)力差2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa下的裂縫寬度見圖3.

由圖3可以看出，隨著水平應(yīng)力差的增大，裂縫張開度呈現(xiàn)逐步減小的趨勢，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是由于隨著水平應(yīng)力差的增大，巖石破裂壓力降低，鉆孔內(nèi)部能量聚集較小，巖石起裂瞬間釋放的能量較低。當(dāng)水平應(yīng)力差為2 MPa時(shí)，裂縫張開度為0.15 mm，此時(shí)的裂縫張開度最大;當(dāng)水平應(yīng)力差為5 MPa時(shí)，裂縫張開度最小為0.11 mm，較水平應(yīng)力差2 MPa降低了36.4%，但減小的趨勢呈現(xiàn)減弱的趨勢。對(duì)不同應(yīng)力差下的鉆孔壁變形進(jìn)行分析，同樣選定應(yīng)力差2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa下進(jìn)行分析，不同應(yīng)力差下鉆孔壁變形曲線見圖4.

圖3 不同應(yīng)力差下裂縫寬度曲線圖

圖4 不同應(yīng)力差下鉆孔壁變形曲線圖

由圖4可以看出，隨著水平應(yīng)力差的增大，鉆孔壁變形量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是由于隨著水平應(yīng)力差的增大，在巖石鉆孔壁位置會(huì)形成較大的剪切應(yīng)力，使得鉆孔壁出現(xiàn)較大的位移變形增大。當(dāng)水平應(yīng)力差為2 MPa時(shí)，鉆孔壁變形為0.025 mm，此時(shí)鉆孔壁變形最?。划?dāng)水平應(yīng)力差為5 MPa時(shí)，鉆孔壁變形最大為0.05 mm，較水平應(yīng)力差2 MPa增大了100%.觀察曲線同樣可以看出，隨著水平應(yīng)力差的增大雖然孔壁變形量呈現(xiàn)增大的趨勢，但趨勢并非線性，增大趨勢逐步減弱。

對(duì)不同應(yīng)力差下巖石內(nèi)部應(yīng)力梯度分布情況進(jìn)行分析，在模型距離鉆孔50 mm范圍內(nèi)設(shè)定應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)每10 mm設(shè)定一個(gè)，對(duì)不同應(yīng)力差下的鉆孔周邊應(yīng)力梯度進(jìn)行分析，應(yīng)力差同樣選定2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa，應(yīng)力梯度曲線見圖5.

圖5 不同應(yīng)力差下鉆孔壁變形曲線圖

從圖5可以看出，當(dāng)水平應(yīng)力差為2 MPa時(shí)，鉆孔壁的最大應(yīng)力值為5.2 MPa，隨著距離鉆孔位置的不斷增大，應(yīng)力梯度呈現(xiàn)下降的趨勢，在距離鉆孔壁50 mm的位置應(yīng)力值削減為3.42 MPa；當(dāng)水平應(yīng)力差為3 MPa時(shí)，在鉆孔壁及距離鉆孔壁50 mm位置的應(yīng)力分別為5.88 MPa、3.85 MPa；水平應(yīng)力差4 MPa時(shí)，在鉆孔壁及距離鉆孔壁50 mm位置的應(yīng)力分別為6.58 MPa、4.21 MPa；水平應(yīng)力差5 MPa時(shí)，在鉆孔壁及距離鉆孔壁50 mm位置的應(yīng)力分別為7.64 MPa、4.32 MPa.可以看出,隨著應(yīng)力差的增大，相同距離下應(yīng)力的下降速度呈現(xiàn)增大趨勢，這是由于隨著水平應(yīng)力差的增大，在孔壁單元的切應(yīng)力增大，相應(yīng)的隨著液體的濾失及裂縫擴(kuò)展能量的消耗，造成如上所述的趨勢。

3 結(jié) 論

1)當(dāng)巖石進(jìn)行注液后巖石內(nèi)部應(yīng)力對(duì)稱分布，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在沿著最大主應(yīng)力方向的鉆孔壁位置，最大應(yīng)力值為9.8 MPa.

2)隨著水平應(yīng)力差的增大，裂縫張開度呈現(xiàn)逐步減小的趨勢，而鉆孔壁變形量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，但裂縫張開度和鉆孔壁變形均呈現(xiàn)逐步減弱的趨勢。

3)根據(jù)對(duì)不同應(yīng)力差下巖石應(yīng)力梯度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力差的增大，相同距離下應(yīng)力的下降速度呈現(xiàn)增大的趨勢。