秦 偉

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 太原 030053）

引言

煤炭資源作為我國主要的能源形式，其每年用量及產(chǎn)量均為世界第一。隨著我國多年煤炭資源的開采，眾多開采問題始終影響著礦井的高效開采，堅(jiān)硬頂板問題為煤礦開采最為常見的問題之一。堅(jiān)硬頂板是指礦井巷道頂板為巖性較為堅(jiān)硬的煤層，在巷道開采過程中，由于堅(jiān)硬頂板的存在，使得覆巖無法直接垮落，從而形成大面積的懸頂，進(jìn)而造成巷道圍巖變形較大，懸頂一旦發(fā)生垮落就會造成巨大的沖擊波，威脅著礦井的開采，同時，由于大面積懸頂?shù)拇嬖跁斐闪裘褐_采礦山煤柱尺寸大幅度增加，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，所以對堅(jiān)硬頂板進(jìn)行治理十分重要[1-2]。此前我國針對堅(jiān)硬頂板治理的辦法主要為爆破卸壓，使得懸頂出現(xiàn)預(yù)裂縫，從而降低頂板整體性，達(dá)到頂板隨采隨落的目的?？紤]到爆破切頂卸壓會產(chǎn)生大量的粉塵，污染較大，所以提出水力壓裂切頂卸壓[3-4]，本文以屯蘭礦22301 工作面為工程背景，采用數(shù)值模擬軟件對水力壓裂切頂卸壓進(jìn)行研究，為礦井堅(jiān)硬頂板的治理提供參考。

1 礦井概況及數(shù)值模型建立

屯蘭礦位于山西省古交市西南6 km，井田面積73.3 km2，可采儲量6.28 億t，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力500 萬t。22301 工作面主要開采2# 煤層，煤層平均厚度為2.80 m；22301 工作面走向長2 673 m～2 632 m，傾向長205 m。水力壓裂切頂卸壓主要是在巷道頂板進(jìn)行定向鉆孔，并對鉆孔進(jìn)行及時封堵，通過高壓注射壓裂液對鉆孔進(jìn)行壓裂，達(dá)到在堅(jiān)硬頂板中形成一定的裂縫網(wǎng)，從而達(dá)到削弱頂板整體性的目的，此時頂板穩(wěn)定性下降，隨著采動影響，巷道頂板逐步發(fā)生垮落，從而解決堅(jiān)硬頂板的問題。水力壓裂切頂卸壓參數(shù)的控制，可以起到控制裂隙網(wǎng)位置、裂隙密度等因素的作用。

為了對水壓致裂可行性進(jìn)行研究，利用數(shù)值模擬軟件對定向水力壓裂的起裂及裂縫擴(kuò)展進(jìn)行研究，通過監(jiān)測孔壓的變化，從而分析裂紋產(chǎn)生及裂紋擴(kuò)展的規(guī)律。首先進(jìn)行水力壓裂模型的建立。考慮到巷道頂板的無界性，所以在進(jìn)行模型建立時只需建立正方形頂板即可。建立模型尺寸為4 m×4 m，壓裂鉆孔設(shè)定為高徑比為1∶4 的菱形，菱形的高為100 mm，對模型施加垂直及水平方向的應(yīng)力，垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力分別設(shè)定為10 MPa 和8 MPa，應(yīng)力差為2 MPa。對模型鉆孔進(jìn)行水壓注射，采用固定給水壓力進(jìn)行壓裂，注水壓力為28 MPa，鉆孔壓力的變化直至壓裂完成，壓力無變化時停止，觀測時長為400 s，對模型進(jìn)行水力壓裂。

2 模擬計(jì)算

鉆孔應(yīng)力隨注液時間變化曲線如圖1 所示。

圖1 鉆孔應(yīng)力隨注液時間變化曲線

從孔壓力變化曲線可以看出，隨著注液時間的增大，孔壓力從基本維持在初始孔壓力逐漸升高達(dá)到最高值，在達(dá)到最大值后逐漸降低。在整個水力壓裂過程中，當(dāng)水壓力未達(dá)到鉆孔起裂壓力時，此時鉆孔巖體基本未發(fā)生破碎，沒有裂紋產(chǎn)生，隨著注液時間及注水量的增大，此時鉆孔內(nèi)部能量快速積聚并達(dá)到鉆孔起裂壓裂，鉆孔壁出現(xiàn)破裂，巖體內(nèi)部產(chǎn)生一定的裂縫。隨著壓裂液的不斷注入，此時鉆孔壓力能夠達(dá)到的最大值表示巖體穩(wěn)定的最大水壓力，為壓裂的起裂壓力，從圖1 可以看出起裂壓力為15.5 MPa，隨著注液時間的增大，在裂紋完成起裂后，此時壓裂液隨著壓裂裂縫不斷地流入巖體中，造成裂縫出現(xiàn)定向的擴(kuò)展，鉆孔壓力逐步呈現(xiàn)下降趨勢，考慮到裂紋的發(fā)育等因素，使得鉆孔內(nèi)部的壓力出現(xiàn)不均勻下降，會形成一定的波動現(xiàn)象，總體呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)壓裂完成時，此時隨著注液時間的進(jìn)一步增大，鉆孔內(nèi)部壓力并不會發(fā)生較大幅度的變化，總體呈現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢，壓力穩(wěn)定為9.83 MPa，整個水力壓裂過程結(jié)束。

在完成定向水力壓裂過程孔壓力變化分析后，對壓裂時裂紋起裂擴(kuò)展隨注液時間的變化進(jìn)行分析，通過對“裂紋擴(kuò)展直徑”與“黏結(jié)破裂數(shù)量”兩個分析指標(biāo)對擴(kuò)展進(jìn)行分析，定向水力壓裂過程中裂紋直徑與黏結(jié)破裂數(shù)量的變化曲線如2 所示。

從圖2 可以看出，裂紋擴(kuò)展的直徑與單元顆粒黏結(jié)破裂數(shù)量隨著注液時間的增加，均呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，所以可以得出鉆孔裂縫的擴(kuò)展沿著直線方向進(jìn)行延伸擴(kuò)展，雖然在過程中呈現(xiàn)出一定的偏折，但整體擴(kuò)展趨勢沿直線方向。在裂縫直徑擴(kuò)展過程中大致呈現(xiàn)出兩個階段的趨勢，分別為80 s 前的快速增長和80 s 后的緩慢增長。這是由于，隨著裂縫擴(kuò)展長度的不斷加大，水流擴(kuò)展過程中消耗的能量逐步增大，所以用于擴(kuò)展的能量減小，裂縫擴(kuò)展速度降低。觀察單元顆粒黏結(jié)斷開數(shù)量隨注液時間的變化趨勢，可以看出當(dāng)初始裂隙開始形成時，此時裂紋快速發(fā)育，裂縫顆粒粘結(jié)破壞數(shù)量逐步增加，后期與裂縫擴(kuò)展直徑機(jī)理類似，顆粒數(shù)逐步趨于穩(wěn)定。

圖2 裂紋直徑與黏結(jié)破裂數(shù)量隨時間變化曲線

在模型的水平方向施加10 MPa 壓力，改變模型的垂直方向壓力來改變模型的圍壓比，選定圍壓比為1.0、1.1.1.2、1.3、1.4、1.5 時對模型進(jìn)行水力壓裂，注液壓力選定為32.5 MPa。不同圍壓比下裂紋擴(kuò)展直徑和裂縫顆粒黏結(jié)破壞數(shù)量曲線如圖3 所示。

圖3 不同圍壓比下裂紋直徑與黏結(jié)破裂數(shù)量的變化曲線

從圖3 可以看出，裂紋的擴(kuò)展直徑和裂縫單元黏結(jié)的破壞數(shù)量均呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，當(dāng)模型的圍壓比為1∶1 時，此時裂縫擴(kuò)展直徑為2.7 m，而裂縫單元黏結(jié)破壞數(shù)量為84 個，隨著模型圍壓比的增大，此時裂縫擴(kuò)展半徑和黏結(jié)單元破壞個數(shù)逐步降低，當(dāng)圍壓比為1∶1.5 時，此時裂縫擴(kuò)展直徑為2.1 m，而裂縫單元黏結(jié)破壞數(shù)量為56 個，為幾種圍壓比下的最小值，所以可以反映出隨著圍壓比的增大，此時鉆孔起裂后裂紋向外延伸的難度增加。這是由于，隨著圍壓比的不斷增大，此時垂直應(yīng)力數(shù)值逐步增大，巖石發(fā)生起裂時預(yù)制裂縫尖端受到的限制作用也就越強(qiáng)，此時裂縫尖端起裂后發(fā)生擴(kuò)展需要的能量也就越多，從而導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展的半徑減小，對應(yīng)的裂縫單元黏結(jié)破壞數(shù)量也就降低。

3 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件對水力壓裂過程中鉆孔應(yīng)力隨時間變化曲線進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著注液時間的增大，鉆孔應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，起裂壓力為15.5 MPa。

2）通過對不同支壓裂時間下裂縫擴(kuò)展直徑和裂縫黏結(jié)單元破壞數(shù)量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著時間的增大，裂縫擴(kuò)展直徑和裂縫黏結(jié)單元破壞數(shù)量均呈現(xiàn)逐步增大的趨勢。

3）對不同圍壓比下裂縫擴(kuò)展直徑和裂縫黏結(jié)單元破壞數(shù)量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著圍壓比的不斷增加，兩者均呈現(xiàn)逐步減小的趨勢。