李金龍 仇婷婷
山西霍寶干河煤礦有限公司 山西 臨汾 041602
隨著,礦井采掘深度的不斷延伸,在開采頂板堅硬煤層時,由于頂板難垮落,易形成大面積的懸頂,而懸頂?shù)拇嬖谑沟孟锏绹鷰r變形研究,一旦懸頂無法承載覆巖重量發(fā)生垮落則會造成較大的沖擊波,嚴重威脅礦井的安全生產(chǎn),針對堅硬頂板我國常見的治理方法多為爆破切頂,通過在堅硬頂板中轉(zhuǎn)孔爆破達到頂板的預裂效果。水力壓裂技術(shù)是一種通過高壓注水從而達到預裂頂板的一種技術(shù)手段,較傳統(tǒng)爆破切頂工作面頂板初次垮落步距與周期來壓步距有所減小,且來壓強度低,施工成本低等優(yōu)點。本文以霍寶干河礦2-216工作面為工程背景,對工作面頂板難垮落的問題進行分析研究,以保證工作面的安全回采,同時也為礦井地質(zhì)條件相類似工作面的堅硬頂板治理提供參考與借鑒。
霍寶干河礦位于臨汾市洪洞縣堤村鄉(xiāng)干河村,井田面積35.56km2,礦井生產(chǎn)能力為210Mt/a,霍寶干河礦2-216工作面位于+80水平一采區(qū),平均埋深470 m,為傾向長壁式開采。由于2-216工作面走向長度為560m,主采煤層為2#煤層,煤層平均厚度為3.75m,煤層的平均傾角為9°,煤層整體較為穩(wěn)定。工作面埋深較淺,頂板整體巖性堅硬,難垮落,易形成懸頂,為了保障工作面的安全開采,需要對工作面頂板進行治理,在經(jīng)過充分考慮后選定采用水力壓裂切頂技術(shù)。
利用數(shù)值模擬對水力壓裂參數(shù)進行研究,選用abaqus數(shù)值模擬軟件進行模擬,考慮到堅硬頂板面積較大,在一定程度上可以簡化為有限個小單元,所以模型建立為尺寸為20m×20m的正方體,在模型中間施加鉆孔,鉆孔的直徑為50mm,對模型進行網(wǎng)格劃分,在進行網(wǎng)格劃分時,充分考慮模型的計算精度及計算時間,在模型靠近鉆孔位置進行細劃分,單元格尺寸為1cm×10cm,在距離鉆孔較遠段適當粗劃分,單元格尺寸為0.2mm×0.2mm,完成模型網(wǎng)格劃分后對模型進行物理參數(shù)設(shè)定,將模型整體物理參數(shù)設(shè)定為砂巖參數(shù),在模型的鉆孔內(nèi)部設(shè)定注水點,對模型的邊界條件進行設(shè)定,固定模型四邊的位移,在模型的垂直方向施加最大水平主應(yīng)力,在模型的水平方向施加最小水平主應(yīng)力,固定最大水平主應(yīng)力為8MPa,通過改變最小主應(yīng)力以此來達到改變應(yīng)力差,完成模型的建立。
首先對應(yīng)力差2MPa下模型的起裂進行研究,模型的預制角度為45°,在預制尖端位置布置應(yīng)力監(jiān)測點,用于監(jiān)測模型壓裂過程中應(yīng)力變化情況,模型壓裂曲線如圖1所示。
圖1 模型壓裂曲線
如圖1所示可以看出,當預制尖端角為45°時,在模擬0s-14s內(nèi)時,此時的注液壓力呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢,此時模型內(nèi)部的孔隙被液體填充,此時的巖石內(nèi)部無裂縫產(chǎn)生,當注液時間來到14s-40s內(nèi)時,在此階段注液壓力達到峰值,此時模型內(nèi)部能量快速聚集,并沿著預制端發(fā)生起裂,此時的應(yīng)力峰值為11.26MPa,當注液時間超過40S時,此時注液壓力曲線急速下降并穩(wěn)定,壓力裂縫發(fā)生擴展,壓裂完成。根據(jù)注液壓力隨時間的變化趨勢,可將壓裂過程分成孔隙注液階段、壓裂階段、擴展階段三個部分[2]。對不同應(yīng)力差下起裂壓力進行分析,選定應(yīng)力差為2MPa,3MPa和4MPa,選定三種應(yīng)力差下的注液壓力峰值進行匯總?cè)鐖D2所示。
圖2 不同應(yīng)力差下的注液壓力峰值曲線
從圖2可以看出,隨著設(shè)定應(yīng)力差逐步增大,此時注液壓力峰值呈現(xiàn)降低的趨勢,但整體降低趨勢呈現(xiàn)減弱的特點,當應(yīng)力差為2MPa時,此時注液壓力峰值為11.26MPa,應(yīng)力差增大至3MPa時,注液壓力峰值增大至10.24MPa,應(yīng)力差4MPa時,注液壓力峰值為9.42MPa,出現(xiàn)這樣現(xiàn)象的原因是由于隨著應(yīng)力差的增大,此時限制巖石起裂的作用力減弱,巖石起裂需要的能量減少,注液壓力峰值降低。
對不同預制角下的裂縫擴展長度進行研究,預制角分別為0°、15°、30°、45°、60°,不同預制角下裂縫擴展長度變化趨勢如圖3所示。
圖3 不同預制角下裂縫擴展長度變化曲線
如圖3可以看出,隨著預制角度的不斷加大,此時裂縫長度呈現(xiàn)出逐步減小的趨勢,當預制角為0°時,此時裂縫的長度為9m,預制角增大至15°時,裂縫長度為8.1m,較預制角0°時減小了0.9m,當預制角30°、45°和60°時,此時的裂縫長度分別為7.8m、6.4m和5.8m,相較于預制角0°時,分別減小了1.2m、2.6m和3.2m。這是由于隨著預制角的增大,此時巖石起裂需要的能量越小,鉆孔內(nèi)部能量聚集越少,一旦鉆孔尖端發(fā)生起裂后,鉆孔內(nèi)部的的能量快速釋放,由于能量聚集較少,所以裂縫擴展長度有所下降[4]。
對不同注液量下,裂縫參數(shù)變化情況進行分析,設(shè)定注液排量分別為0.001m3/s、0.002m3/s、0.003m3/s、0.004m3/s及0.005m3/s。注液量與裂縫擴展長度變化曲線如圖4所示。
圖4 注液量與裂縫擴展長度變化曲線
如圖4可以看出,隨著支注液量的增大,此時裂縫擴展長度呈現(xiàn)逐步增大的趨勢,當壓裂液排量為0.001m3/s時,可以看出此時的裂縫長度為6.2m,增大壓裂液排量為0.002m3/s、0.003m3/s、0.004m3/s、0.005m3/s時,此時裂縫擴展長度分別為9.8m、12.4m、14.2m、16.4m,相比壓裂液排量0.001m3/s時,裂縫的擴展長度分別增大了3.6m、6.2m、8m、10.2m。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是由于隨著壓裂液排量的增大,此時相同時間內(nèi)鉆孔內(nèi)部聚集的能量增大,在巖石起裂瞬間,巖石內(nèi)部流體快速流動,由于能量沖擊,使得裂縫擴展的長度增加,頂板及時垮落,頂板控制效果更好[5]。
(1)根據(jù)注液壓力隨時間的變化趨勢,可將壓裂過程分成孔隙注液階段、壓裂階段、擴展階段三個部分。
(2)隨著設(shè)定應(yīng)力差逐步增大,此時注液壓力峰值呈現(xiàn)降低的趨勢,但整體降低趨勢呈現(xiàn)減弱的特點。
(3)根據(jù)不同預制角下裂縫擴展長度變化曲線可知,隨著預制角度的不斷加大,此時裂縫長度呈現(xiàn)出逐步減小的趨勢。同時,根據(jù)不同注液排量下裂縫擴展長度變化曲線可知,隨著支注液量的增大,此時裂縫擴展長度呈現(xiàn)逐步增大的趨勢。