水力壓裂對沿空留巷的泄壓效應研究

戎冬冬，華明國

(潞安集團 余吾煤業公司，山西 長治 046103)

瓦斯抽采是煤礦利用瓦斯資源及防治瓦斯災害的根本方法，而對于低滲透性煤層，常規的鉆孔抽采方法效果不佳，必須采取增透措施[1-3]。水力壓裂是卸壓增透的主要技術之一[4]，國內外很多學者都對水力壓裂技術進行了研究。馬耕等[5]采用水力壓裂試驗系統，進行了水力壓裂物理模擬試驗，借助煤巖斷面三維掃描系統、位移計提取了水力裂縫信息，研究了地應力對破裂壓力和水力裂縫影響；林柏泉等[6-7]采用理論分析和現場試驗的方法，研究了脈動壓力在裂隙中的傳播規律以及卸壓增透效果，獲得了水力壓裂過程中裂隙起裂及擴展過程的動態變化特征；張小東等[8]采用數值分析的方法探討了研究區煤層氣井水力壓裂后的裂縫形態與裂縫展布規律，提出了研究區煤層氣井壓裂過程中的綜合濾失系數計算方法。但上述大多都是研究水力壓裂后裂隙擴展規律，而實際上水力壓裂卸壓是通過向頂板注入高壓水，使頂板局部巖層裂隙張開，甚至形成新的裂隙，使這部分巖體的力學屬性發生顯著改變，造成老頂巖層屬性的非均勻分布[9]。在回采過程中，利用老頂巖層屬性的非均勻分布來改變煤柱的應力分布特征[10-13]。采用這種技術措施后，通過有效降低強烈采動巷道周圍的煤壁應力，達到減少巷道變形，降低維護成本，增加其安全性的目的[14-16]。本文采用數值模擬的方法揭示水力壓裂對沿空留巷的泄壓效應規律，為回采巷道圍巖采用水力壓裂泄壓的應用提供理論基礎。

1 水力壓裂對圍巖應力分布影響數值模擬

1.1 數值模型建立

為了研究老頂水力壓裂對煤層應力分布的影響，以潞安集團余吾煤礦的地質和開采技術條件為基礎，建立了三維模型，模型尺寸為220 m(寬：平行工作面方向)×300 m(長：沿回采方向)×95 m(高)，如圖1所示。

圖1 工作面開采三維模型

模型平面布置如圖2所示。其中沿模型寬度方向包括如下幾部分：工作面長100 m，巷道寬5 m，煤柱30 m，工作面前方80 m。模型四個側面和底面均為固定位移邊界條件，模型頂面邊界為應力邊界條件。模型長度方向包括頂板未壓裂區域170 m，頂板壓裂區域120 m。

圖2 模型平面

為了更好地展現模擬結果，同時采用平面應變模型進行了平行研究和對比[17]。經對照后發現，三維模擬的結果與二維模型吻合度很高，因此采用二維模型進行了拓展研究。二維平面應變模型如圖3所示。二維平面應變模型在寬度和高度上與三維模型完全一致。

圖3 二維平面應變模型

1.2 參數設置

本文所建立的數值模型涉及巖層范圍大，主要從宏觀角度考察工作面的應力再分配特征，因此模型所劃分的單元網格比較大，頂板和底板巖層屬性無法全部按照細分層屬性分配，部分巖層采用按厚度折算力學的參數，該參數代表頂板和底板巖層的平均屬性。按照圖3給出的巖層柱狀，總結現場實測數據以及公開的類似巖層測試資料，確定巖層和節理屬性如表1和表2所示。

表1 巖層屬性參數

1.3 模擬方案

三維模擬主要是為了揭示頂板壓裂區域對煤層應力分布造成的影響。在三維模型中，頂板壓裂范圍的橫向截面(沿工作面方向)和縱向截面(沿開采推進方向)分別如圖4和圖5所示。按照現場采用的壓裂方法和經驗估算，壓裂影響范圍寬度按20 m計算，壓裂設計高度為19 m，對壓裂區域內巖層的彈性模量和強度參數進行了折減，研究局部巖層屬性改變對回采應力的作用效果。

圖4 頂板壓裂范圍橫截面

二維平面應變模型包括三個子模型：正常開采模型，頂板壓裂寬度20 m，頂板壓裂寬度30 m(等于煤柱寬度)。如圖6所示。

圖5 頂板壓裂范圍縱向截面

圖6 頂板壓裂模型

2 模擬結果及分析

2.1 水力壓裂對巷道應力狀態影響的三維模擬結果

當工作面回采后，三維模型得到的煤層應力分布如圖7所示。從圖7可以看出，水力壓裂區域煤柱區域應力分布與未壓裂區域有比較明顯的差異，主要表現為：在水力壓裂段，煤柱中心的高應力區范圍比較窄，而未壓裂段的高應力區比較寬。其中煤柱高應力區最寬的區域大約位于水力壓裂起始線后方60 m，超過60 m的未壓裂區，煤柱高應力區略微收窄。為了更清楚地比較頂板壓裂對煤層應力分布(特別是煤柱)的影響，在圖7中用黑色直線畫出了三條應力監測線，對三條監測線上的應力進行取樣，繪制成折線圖。其中取樣線1表示為進行壓裂的正常開采條件；取樣線2表示緊跟在壓裂區域后方的未壓裂區域；取樣線3表示壓裂區域。

圖7 鄰近工作面采后煤層應力分布

三條取樣線的應力監測結果如圖8所示。由于本研究重點考慮的是應力分布變化對巷道安全性的影響，為此進一步縮小了應力對比的范圍。圖9給出了巷道兩側60 m范圍內的煤體應力分布。

圖8 煤層應力分布曲線

圖9 巷道兩側煤層應力分布曲線

從圖7可以看到，除了煤柱中間區域，不同取樣線的應力監測結果相差很小。這說明頂板水力壓裂泄壓措施的確可以影響煤層應力分布，但其影響范圍是局部性的。從圖9可以更清楚的看到，取樣線3所在的頂板壓裂區域，煤柱中間應力有明顯的降低；取樣線1和取樣線2均處于未壓裂區域，但取樣線2所處位置臨近頂板壓裂區域，所以取樣線2對應的煤柱中間應力要略高于取樣線1處。根據上述模擬結果，可以得到初步結論：

1) 老頂形成的壓裂區域對煤層應力分布有比較明顯的影響。

2) 頂板壓裂區的煤柱中間受力明顯降低，對保持留巷的安全性有利。這說明合理使用水力壓裂技術可以達到改善留巷安全性的目的。

3) 緊臨壓裂區域的后方煤柱應力出現略微的升高，對保持留巷的安全性不利。這意味著在選擇壓裂區域的起始位置以及壓裂區域的設計上，應當充分考慮現場的生產條件，避免在地質條件較差的區域開始實施壓裂技術，這會導致該區域的安全條件更加惡化。

2.2 壓裂對留巷應力狀態影響的二維模擬

2.2.1 垂直應力分布結果與分析

圖10給出了二維平面應變模型得到的模擬結果，從整體上看與三維模型得到模擬結果非常接近。但由于二維模型在單元劃分上更為精細，所以其呈現的曲線更加光滑。

圖10 煤層垂直應力分布

從圖10看到，不同頂板處理條件下，煤柱中心部分的應力展現出了明顯差異。未壓裂區域的煤柱應力最大；頂板壓裂范圍20 m時，煤柱中心應力明顯下降；頂板壓裂范圍30 m時，煤柱中心應力有更大幅度的下降。三種情況下，比較采空區的平均應力可知，采用頂板壓裂措施能夠導致煤柱應力轉移。

圖11給出了留巷兩側煤層應力分布。三種情況下，留巷左側煤柱平均應力分別呈現：未壓裂區域，煤柱平均應力27.2 MPa；壓裂范圍20 m，煤柱平均應力26.8 MPa；壓裂范圍30 m時，煤柱平均應力26.5 MPa。這說明頂板壓裂區域對煤柱應力分布有明顯的影響，并且隨著壓裂范圍的增加煤柱上承擔的壓力逐漸減少。

2.2.2 塑性區分布結果與分析

圖12-14分別給出了三種情況下，留巷兩側煤層的塑性區狀況。三種情況下，留巷兩側的塑性區發生了顯著的變化。

圖12 留巷兩側塑性區分布(未壓裂區)

圖13 留巷兩側塑性區分布(壓裂范圍20 m)

圖14 留巷兩側塑性區分布(壓裂范圍30 m)

未壓裂時的塑性區分布與壓裂20 m時的塑性區分布主要差別在于：頂板壓裂導致煤柱中心塑性區明顯減少，留巷外側實體煤中的塑性區有所增加。這說明壓裂頂板導致垂直應力從煤柱向留巷外側實體煤方向轉移，從而導致煤柱塑性區減少，留巷外側塑性區有所擴大。結合應力分析結果來看，在煤柱上方壓裂頂板壓裂20 m時，將致使煤柱應力減少，減少的載荷部分由采空區承擔，部分轉移至留巷外側的實體煤部分。

未壓裂時的塑性區分布與壓裂30 m時的塑性區分布主要差別在于：頂板壓裂導致煤柱中心塑性區明顯減少，留巷靠近煤柱一側塑性區明顯減少。這說明頂板壓裂長度增加后，煤柱上的應力進一步得到降低，應力變化區蔓延到留巷圍巖附近，影響到了圍巖的塑性區。結合應力分析結果來看，在煤柱上方壓裂頂板壓裂30 m時，將導致煤柱應力進一步減少，減少的載荷部分由采空區承擔，部分轉移至留巷外側的實體煤部分。

壓裂20 m時的塑性區分布與壓裂30 m時的塑性區分布主要差別在于：壓裂范圍從20 m增加到30 m后，煤柱的塑性區減少幅度更大，特別是減少了留巷兩側附近的塑性區，這樣的結果對保證留巷安全條件非常有利。這說明增加煤柱上方的壓裂范圍，能夠進一步增強應力轉移效果，同時能夠在應力轉移過程中避免留巷附近產生應力集中現象。

2.2.3 沿空留巷圍巖位移結果與分析

圖15-17分別給出了三種情況下，巷道圍巖位移分布情況。在未壓裂頂板的情況下，工作面回采后，留巷的最大位移為108.6 mm；在煤柱上方壓裂頂板壓裂20 m時，留巷的最大位移為103.5 mm；在煤柱上方壓裂頂板壓裂30 m時，留巷的最大位移為101.3 mm。

圖15 留巷圍巖位移分布(未壓裂區)

圖16 留巷圍巖位移分布(壓裂范圍20 m)

圖17 留巷圍巖位移分布(壓裂范圍30 m)

3 結 語

1) 卸壓下數值模擬研究結果表明，老頂形成的壓裂區域對煤層應力分布有比較明顯的影響。對煤層頂板采用水力壓裂進行泄壓之后，將對煤巖層采動應力分布產生影響，壓裂區域周圍煤巖體采動應力將重新分布。

2) 合理使用水力壓裂技術，頂板壓裂區的煤柱中間受力明顯降低，緊臨壓裂區域的后方煤柱應力出現略微的升高，對保持留巷的安全條件不利。這意味著在選擇壓裂區域的起始位置以及壓裂區域的設計上，應當充分考慮現場的生產條件，避免在地質條件較差的區域開始實施壓裂技術，這可能局部惡化該區域安全條件，因此需要謹慎選擇頂板壓裂區的開始位置。

3) 頂板壓裂范圍對應力轉移效果有明顯的影響，增加頂板壓裂寬度，能夠增強應力轉移效果。具體設計參數需要根據生產地質條件決定。在煤柱上方壓裂頂板范圍達到煤柱寬度時，能夠顯著降低煤柱的載荷，減小留巷圍巖的塑性破壞區范圍大小，降低圍巖位移。