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《煤礦開(kāi)采雜志》2014年第三期

1巖石定向水力致裂原理

水力致裂原理是通過(guò)在巖層中進(jìn)行預(yù)先切槽，切槽處在高壓水的作用下，應(yīng)力值和應(yīng)變值急劇增加，當(dāng)應(yīng)力和應(yīng)變超過(guò)一定值時(shí)，巖石就會(huì)開(kāi)裂，則頂板就會(huì)被壓裂。定向水力致裂技術(shù)的關(guān)鍵在于預(yù)先切槽，由于在致裂部位產(chǎn)生了內(nèi)嵌楔形槽，高壓水在開(kāi)槽部位會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，尖端應(yīng)力值σmax和應(yīng)變值εmax急劇增加。高壓泵流量大小也是影響水力致裂效果的重要指標(biāo)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常要求高壓泵流量不能低于80L/min，否則會(huì)減小致裂范圍而降低致裂效率。

2堅(jiān)硬頂板定向水力致裂數(shù)值模擬

FLAC軟件是一種工程力學(xué)計(jì)算的顯式有限差分程序，主要模擬土、巖石等材料的力學(xué)行為，內(nèi)部含有多個(gè)力學(xué)模型，如彈性模型、摩爾–庫(kù)倫模型。不但可以模擬巖石的線性問(wèn)題，也可以模擬巖石的非線性問(wèn)題。RFPA數(shù)值模擬是一種基于有限元應(yīng)力分析和統(tǒng)計(jì)損傷理論的材料破裂過(guò)程計(jì)算方法，能夠模擬材料漸進(jìn)破裂直至失穩(wěn)全過(guò)程的數(shù)值試驗(yàn)工具。針對(duì)模擬目的的不同選擇適合的數(shù)值模擬方法，本文采用FLAC2D模擬圍巖的應(yīng)力集中程度，采用RFPA2D模擬巖石的裂紋擴(kuò)展情況。

2.1模型建立采用FLAC2D建立二維模擬模型，模型尺寸為600mm×700mm，模型共分100×100的網(wǎng)格，本構(gòu)模型采用彈性模型，鉆孔直徑42mm。模型上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力(施加應(yīng)力值采用深度為400m地應(yīng)力實(shí)測(cè)值10MPa，模型兩側(cè)面施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力，水平壓應(yīng)力根據(jù)側(cè)壓系數(shù)進(jìn)行計(jì)算后得到)，模型下表面垂直位移和模型側(cè)面水平位移固定。

2.2模擬結(jié)果分析注水前，鉆孔切槽尖端的應(yīng)力分布云圖和鉆孔水平沿監(jiān)測(cè)線垂直應(yīng)力分布曲線見(jiàn)圖1所示。從圖中可以看出，注水前，鉆孔切槽部位形成了壓應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到3～3.5。注水后(注水壓力為15MPa)，鉆孔尖端的應(yīng)力分布云圖和鉆孔水平沿監(jiān)測(cè)線垂直應(yīng)力見(jiàn)圖2所示。從圖中可以看出，由于切槽的尖端效應(yīng)，注水后形成拉應(yīng)力集中，集中系數(shù)達(dá)到3～3.5。為了進(jìn)一步分析水力致裂裂紋擴(kuò)展情況，采用RFPA2D數(shù)值模擬軟件，模擬在頂板巖層中進(jìn)行定向水力致裂時(shí)裂紋擴(kuò)展情況，裂紋擴(kuò)展示意圖見(jiàn)圖3所示。從圖3中可以看出，首先在鉆孔切槽附近形成裂紋，隨著壓裂時(shí)間的延長(zhǎng)，裂紋逐漸向外擴(kuò)展，擴(kuò)展方向沿著切槽方向，正是由于切槽效應(yīng)，較小的水壓即可形成大范圍的裂紋擴(kuò)展，不但提高了致裂效率，也大大降低了致裂成本。

3堅(jiān)硬頂板水力致裂工業(yè)性試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)地點(diǎn)與鉆孔布置本次工業(yè)性試驗(yàn)地點(diǎn)為煤峪口煤礦410盤(pán)區(qū)81008工作面的回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷。開(kāi)孔位置距頂板200～300mm，鉆孔長(zhǎng)度為30m，孔間距為20m，仰角10°，鉆孔水平投影與巷道夾角為70°，鉆孔直徑為38mm。鉆孔布置見(jiàn)圖4所示。壓裂地點(diǎn)頂板巖石抗拉強(qiáng)度為9.32MPa，抗壓強(qiáng)度120MPa，垂直主應(yīng)力5.5MPa，最大水平主應(yīng)力7.71MPa，最小水平主應(yīng)力為4.65MPa。根據(jù)工作面頂板巖層的特點(diǎn)，在工作面運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷布置定向水力致裂鉆孔，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)致裂鉆孔兩側(cè)鉆孔涌水情況，通過(guò)觀測(cè)兩側(cè)鉆孔涌水情況分析水力致裂裂隙擴(kuò)展范圍。

3.2試驗(yàn)機(jī)具與設(shè)備(1)開(kāi)鑿設(shè)備KC38鉆頭的直徑為38mm，成孔直徑42mm，該鉆孔小于傳統(tǒng)的鉆孔(預(yù)裂爆破)，這樣有利于提高鉆進(jìn)效率。(2)封隔器主要是對(duì)開(kāi)槽處進(jìn)行封孔，從而使水保持較高的壓力，該封隔器不但可以較好地進(jìn)行封孔，還可以進(jìn)行不同深度的封孔，從而達(dá)到一個(gè)鉆孔多次壓裂的目的，增加壓裂效果。(3)注水壓力合理選取高壓注水泵的壓力和流量是影響水力致裂效果的關(guān)鍵，根據(jù)彈性理論，裂縫產(chǎn)生所需的破裂壓力計(jì)算式為:P=1.3×(9.32+4.65)=18.2(MPa)此外，由于高壓注水管路和泵站存在一定的工作阻力，個(gè)別區(qū)域巖石的抗拉強(qiáng)度和地應(yīng)力數(shù)值也有差別，為了能保證壓力留有一定余量，確定高壓注水泵的額定壓力為35MPa。綜合考慮電機(jī)功率、設(shè)備體積及礦井實(shí)際條件等因素，確定泵的流量為120L/min。

3.3試驗(yàn)過(guò)程首先進(jìn)行鉆孔，鉆孔完成后，利用窺視儀設(shè)備進(jìn)行圍巖窺視，確定圍巖完整區(qū)域，然后利用切槽鉆頭在圍巖完整區(qū)域進(jìn)行開(kāi)槽。開(kāi)槽完成后，采用封隔器對(duì)開(kāi)槽區(qū)域進(jìn)行封孔，然后連接封孔設(shè)備，對(duì)封孔器進(jìn)行注氣封孔，封孔器中的氣壓在15MPa左右，最后連接高壓注水泵，安裝水壓儀，對(duì)鉆孔不同深度的巖層進(jìn)行分層壓裂。

4試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1壓裂鉆孔周?chē)O(jiān)測(cè)孔觀測(cè)通過(guò)監(jiān)測(cè)布置在壓裂鉆孔兩側(cè)的監(jiān)測(cè)鉆孔涌水情況來(lái)分析裂縫的擴(kuò)展范圍。試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)測(cè)孔分別位于致裂孔15m，18m，20m，23m，通過(guò)致裂過(guò)程觀察監(jiān)測(cè)孔涌水情況。當(dāng)監(jiān)測(cè)孔距離致裂孔15m和18m時(shí)，壓裂10～15min，監(jiān)測(cè)孔有大量水涌出;當(dāng)監(jiān)測(cè)孔距離致裂孔20m時(shí)，壓裂20min左右，監(jiān)測(cè)孔的水量有少量水流出;當(dāng)監(jiān)測(cè)孔距離致裂孔23m時(shí)，壓裂30min，監(jiān)測(cè)孔沒(méi)有水流出。進(jìn)行多組同樣試驗(yàn)，壓裂情況與該孔壓裂情況基本相同。

4.2高壓泵水壓波動(dòng)曲線分析注水致裂試驗(yàn)過(guò)程中，記錄了2個(gè)孔的注水泵壓力波動(dòng)曲線，變化曲線見(jiàn)圖5、圖6所示。從圖5可以看出，在壓裂開(kāi)始時(shí)，水壓儀壓力逐漸上升，達(dá)到17MPa時(shí)，突然泵壓下降，這主要由于巖層開(kāi)裂，卸壓導(dǎo)致泵站壓力下降，隨著裂縫擴(kuò)展，泵站壓力開(kāi)始保持穩(wěn)定，裂紋慢慢地進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至周?chē)@孔時(shí)，泵站壓力開(kāi)始下降，關(guān)閉高壓泵，注水結(jié)束。從圖6可以看出，在高壓泵壓裂時(shí)，水壓儀監(jiān)測(cè)曲線波動(dòng)比較明顯，水壓升降劇烈，這主要由于巖層中存在很多裂隙、弱結(jié)構(gòu)，當(dāng)高壓水進(jìn)入裂隙帶時(shí)，泵的水壓就會(huì)急劇下降，反之，則會(huì)急劇增加。

4.3工作面來(lái)壓步距觀測(cè)該工作面在未進(jìn)行定向水力致裂以前，屬于堅(jiān)硬難垮落頂板，工作面頂板的初次來(lái)壓步距達(dá)到了35m，周期來(lái)壓步距也達(dá)到了26m。來(lái)壓時(shí)，工作面有明顯的動(dòng)力現(xiàn)象，工作面的支架經(jīng)常受到?jīng)_擊破壞，巷道加強(qiáng)支護(hù)段錨桿也出現(xiàn)破斷現(xiàn)象。對(duì)該工作面進(jìn)行定向水力致裂以后，周期來(lái)壓步距基本在13～16m，來(lái)壓過(guò)程中，沖擊明顯減弱，巷道錨桿未見(jiàn)破斷現(xiàn)象。綜上，定向水力致裂技術(shù)有效地改善了堅(jiān)硬頂板的難垮落問(wèn)題，并且由于采用了切槽技術(shù)，在切槽處形成了應(yīng)力集中現(xiàn)象，所需壓力基本低于裂縫擴(kuò)展壓力。但是在工程實(shí)踐過(guò)程中，也存在一些問(wèn)題，例如封孔困難、壓力不足等，這些問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)堅(jiān)硬頂板水力致裂進(jìn)行數(shù)值模擬和工業(yè)性試驗(yàn)，得出如下結(jié)論:(1)在進(jìn)行水力致裂時(shí)，切槽可有效降低裂縫破裂所需壓力;采用氣體膨脹式封隔器可對(duì)巖層堅(jiān)硬段進(jìn)行分段逐次壓裂。(2)定向水力致裂可使裂縫在頂板中擴(kuò)展一定范圍，隨著壓裂處與孔口距離的增大，裂縫破裂和擴(kuò)展所需的壓力也相應(yīng)增大。(3)在壓裂過(guò)程中，壓力－時(shí)間曲線并不完全相同，這主要是因?yàn)閹r石是非均質(zhì)體，再加上受?chē)鷰r裂隙、地應(yīng)力等因素的影響。

作者：劉麗萍單位：內(nèi)蒙古烏海市煤炭局國(guó)有安監(jiān)科