煤巖體強度對注漿壓裂裂隙形成規律影響分析

徐 成 李 亮

(1.西安科技大學高新學院，陜西省西安市，710065；2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西省西安市，710065)

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煤巖體強度對注漿壓裂裂隙形成規律影響分析

徐 成1李 亮2

(1.西安科技大學高新學院，陜西省西安市，710065；2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西省西安市，710065)

為了更深入了解不同強度的煤巖體注漿壓裂的裂隙產生規律，通過RFPA-flow軟件建立二維應力應變模型，模擬了在不同強度的煤巖體下注漿過程中裂隙萌生、擴展直至模型失穩的全過程。結果表明，低強度煤巖體注漿時，注漿孔周圍的應力集中，僅在其周圍產生破裂而不能向外部擴散，漿液擴散困難；高強度煤巖體注漿時，漿液能量積蓄更為容易，裂隙擴散范圍更大，漿液擴散范圍也隨之增加。研究結果揭示了不同強度的煤巖體注漿壓裂裂隙產生規律，為現場實際工作進行理論指導。

煤巖體 注漿 強度 裂隙特征 注漿效果

在煤礦生產過程中，頂板冒落、突水等事故嚴重威脅礦井安全生產。通常情況下會采用注漿的方法對破碎圍巖進行加固處理，目的是提高破碎圍巖的強度，改善圍巖的物理性能，增強圍巖穩定性。因此，開展對注漿加固技術的研究對煤礦的安全生產是至關重要的。

目前對注漿過程中裂隙擴展及漿液流動規律的研究已經取得了豐富的成果，對注漿加固過程中漿液流動及裂隙擴散進行了大量的現場實驗及理論研究，并建立了不同分析方法及理論模型對注漿漿液擴散及巖石破裂面的力學性質進行研究。但是目前煤巖體強度對注漿壓裂過程中裂隙產生規律的影響分析還有待提升，特別是單孔巖石注漿過程中裂隙產生規律的研究還需進一步加強。

本文通過RFPA-flow軟件建立數值模型，模擬注漿過程中裂隙的萌生、破裂直至失穩的全過程，初步分析在不同煤巖體強度下注漿壓力的改變對裂隙產生規律的影響，為現場實際工作提供理論指導。

1 數值模型建立

1.1 RFPA模擬軟件簡介

RFPA-flow軟件是為了研究真實破裂過程而研發的一種能夠模擬材料漸進破壞的數值實驗工具。該方法基于有限元理論并考慮了材料的非均性、缺陷分布的隨機性，并把這種材料的統計分布假設結合到數值計算方法中，對滿足給定強度準則的單元進行破壞處理，從而使得非均質材料破壞過程的數值模擬得以實現。

1.2 模型建立

本文采用RFPA-flow軟件建立二維平面應變模型，選定煤體材料的基礎參數構建數值模型，建立1 m×1 m模型框架，劃分為200×200個單元。為了分析不同強度的煤巖體對注漿過程中裂隙產生規律的影響，建立注漿模型如圖1所示。在模型中心開挖一個直徑d為80 mm的模擬注漿孔。在模型周圍附加邊界條件模擬巖石的水平地應力，考慮到上覆巖層重量以及煤體自重，在煤體上部施加與圍壓相等的荷載σ=4 MPa。根據煤巖體強度的大小，分別選擇強度為2 GPa、 6 GPa、 8 GPa、10 GPa的煤巖體進行模擬計算。由于煤層中注漿壓裂所需壓力與煤層條件有關，設計注漿初始壓力P0為3 MPa，注漿壓力以0.2 MPa/step的步長遞增。

圖1 注漿計算模型

模型的物理學參數主要依據煤體的力學參數確定，煤體彈性模量E為6 GPa，模擬強度f為2 GPa、6 GPa、8 GPa、10 GPa，抗拉壓強度ft為50 MPa，均質度m為2，摩擦角為30°，泊松比μ為0.25，滲透系數k0為0.01 m/d，固液耦合系數a為0.2，孔隙水壓力系數α為0.5，孔隙率ξ為0.1。煤巖體加固的對象主要為煤層。

2.1 起裂/失穩應力分析

分別建立煤巖體強度為2 GPa、6 GPa、8 GPa、10 GPa的數值模型進行仿真實驗，以研究不同強度煤巖體對注漿壓裂過程中裂隙的產生規律。 聲發射變化圖見圖2。

圖2 聲發射變化圖

由圖2對比發現，當注漿壓力大到6.4 MPa時，煤巖體強度為2 GPa、 6 GPa、 8 GPa、10 GPa的模型都開始破裂；當注漿壓力大到7.4 MPa時，強度為6 GPa、8 GPa、10 GPa巖石失穩；注漿壓力大到7.8 MPa時，強度為2 GPa巖石失穩。說明隨著煤巖體強度的增加，煤體的起裂壓力與失穩壓力基本保持不變，煤巖體強度對注漿壓裂起裂與失穩壓力影響很小。

2.2 壓裂應力場及裂隙擴展分析

分別對4個注漿模型裂隙破壞應力場進行分析比較，通過分析不同強度的煤巖體注漿壓裂裂隙失穩階段應力分布圖，對煤巖體注漿壓裂破裂規律進行研究，結果如圖3所示。

由圖3可知，當煤巖體強度為2 GPa、6 GPa時，煤巖體強度大小影響了注漿過程中裂隙的產生，在同等條件下，強度低的煤巖體注漿孔周圍破裂更為嚴重。說明在注漿過程中，低強度煤巖體的注漿孔周圍應力集中，煤巖體強度不足以積累太高的能量，所以會使煤巖體產生嚴重破壞，從而影響到裂隙的擴散，使漿液的擴散不能達到注漿要求。

圖3 不同強度煤巖體壓裂失穩階段應力場分布及裂隙特征

當強度為8 GPa、1%0 GPa時，應力集中在注漿孔周圍不易擴散，但是由于巖石強度高，破裂難以發生。當應力達到巖體破裂臨界值時，應力集中區范圍進一步擴大，應力集中區積累更多能量向外擴散，會使巖石內部產生更多的微裂隙，且裂隙尖端不易鈍化，裂隙的擴散范圍增大。

由此可知，煤巖體強度對注漿漿液擴散影響較大，在注漿過程中，提高煤巖體的強度，有助于煤層裂隙的合理擴散。

2.3 注漿漿液擴散規律

RFPA-flow矢量圖可以反映注漿過程中漿液的流動方向、范圍及擴散規律。通過分析漿液的矢量圖可以直觀反映圍壓的改變對漿液流動的影響。

煤巖體強度為2 GPa、6 GPa、8 GPa、10 GPa時漿液擴散的矢量圖見圖4。

由圖4可知，強度為2 GPa的煤巖體在注漿過程中漿液僅在注漿孔周圍擴散，擴散半徑最小，漿液尖端不易分散。當煤巖體強度增加時，漿液擴散半徑也隨之增加，當強度達到10 GPa時，漿液的擴散半徑最大。

不同強度的煤巖體對注漿過程中漿液擴散規律有很大的影響。隨著煤巖體強度的增加，漿液的擴散半徑也隨之增加，由于低強度的煤巖體在注漿過程中更容易在注漿孔周圍破裂，漿液就會擴散在注漿孔周圍，漿液的擴散半徑也就難以達到理想要求。而當增加了煤巖體的強度時，漿液的能量積聚更為快速，擴散半徑及擴散范圍也隨之增加，更容易達到注漿要求。

圖4 不同強度煤巖體的漿液擴散矢量圖

3 結論

(1)分別研究煤巖體強度為2 GPa、6 GPa、8 GPa、10 GPa時注漿加固的裂隙產生規律。煤巖體強度的大小不影響煤巖體所需的起裂壓力與煤巖體失穩壓力。在注漿過程中適當增加煤巖體的強度時，不需要改變注漿條件。

(2)煤巖體強度的增加對裂隙擴散有著很大的影響，低強度的煤巖體裂隙不易擴散，僅在注漿孔周圍產生大量破裂而不能向外部延伸，所以在對煤層進行注漿加固時，需要考慮到煤巖體的強度。

(3)在注漿過程中，漿液的流動半徑和煤巖體強度的大小有著直接的關系，強度為2 GPa的煤巖體由于在注漿孔周圍產生嚴重破裂從而影響注漿加固的效果，當強度提升到8 GPa之后，漿液擴散半徑明顯提高。所以對煤巖體強度進行提高有助于提升注漿效果。

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(責任編輯 郭東芝)

2016年全國火電設備平均利用小時同比降低199小時

據中電聯2016年電力工業統計快報統計，全國6000 kW及以上電廠發電設備平均利用小時繼續下降，2016年全國發電設備平均利用小時為3785小時，同比降低203小時，是1964年以來的最低水平。2016年底全國水電裝機容量3.3億kW，設備平均利用小時3621小時，同比增加31小時。與2015年相比，18個省份水電設備平均利用小時同比上升，其中，福建、海南增加超過1000小時，北京、河北、遼寧、吉林、江蘇、安徽、江西、山東和廣東增加超過500小時，而內蒙古、廣西、貴州、陜西和青海下降超過500小時。

2016年底全國火電裝機容量10.5億kW，設備平均利用小時4165小時，同比降低199小時，是1964年以來的最低水平。其中，山東和江蘇超過5000小時，河北、寧夏、江西和內蒙古超過4500小時；西藏、云南和四川低于2200小時。與2015年相比，除北京、河北和西藏3個省份外，其他省份火電設備利用小時均有不同程度降低，其中，海南降幅超過1000小時，青海、福建、四川、新疆和寧夏降幅超過500小時。

2016年底全國核電裝機容量3364萬kW，設備平均利用小時7042小時，同比降低361小時。

2016年底全國并網風電裝機容量1.5億kW，設備平均利用小時為1742小時，同比增加18小時。分省來看，在風電裝機容量超過300萬kW的13個省份中，云南、河北、江蘇、山西、遼寧、山東、內蒙古和貴州風電設備平均利用小時超過全國平均水平，而甘肅、新疆和吉林風電平均利用小時低于1500小時，分別僅有1088小時、1290小時和1333小時。

Influence analysis of coal and rock strength on developing rule of fracturing grouting cracks

Xu Cheng1, Li Liang2

(1.Xi'an Keda Gaoxin University, Xi'an, Shaanxi 710065, China;2.Shaanxi Coal Chemical Industry Technology Research Institute Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi 710065, China)

In order to better understand influence of coal and rock with different strength on developing rule of fracturing grouting cracks, a two-dimensional stress and strain model was built by using RFPA-flow software to simulate the generation, develepment and failure process of grouting cracks in coal and rock with different strength. The results showed that when the strength of coal and rock was low, the stress concentration and cracks appeared around the grouting hole, but the cracks and grouting fluid couldn't extend outward; when the strength of coal and rock was increased, energy accumulation of grouting fluid was easier and extension ranges of cracks and grouting fluid were bigger.The research results revealed the developing rule of fracturing grouting cracks in coal and rock with different strength, which provided theoretical guidance for the actual production.

coal and rock mass, grouting, strength, crack features, grouting effect

國家重點基礎研究發展計劃(973)項目(2014CB047100)

徐成，李亮. 煤巖體強度對注漿壓裂裂隙形成規律影響分析[J]. 中國煤炭，2017,43(2)：44-47. Xu Cheng, Li Liang. Influence analysis of coal and rock strength on developing rule of fracturing grouting cracks[J]. China Coal, 2017, 43(2):44-47.

TD315

A

徐成(1993-)，陜西韓城人，本科生，現就讀于西安科技大學高新學院土木工程專業。