綜放工作面回撤通道水力壓裂切頂技術研究

孟偉

摘 要：為了解決回撤通道圍巖變形大的問題，本文以斜溝礦為研究背景，以abaqus數值模擬軟件對巖石水力壓裂過程進行模擬分析，發現隨著應力差的增大，巖石內部的應力逐步增加，起裂需要的注水壓力降低，隨著壓裂段長度的增大，巖石起裂需要的注液壓力逐步降低，同時經過卸壓后回撤通道垛式支架支撐壓力明顯減小，維護了回撤通道穩定性。

關鍵詞：數值模擬;水力壓裂;回撤通道

1 前言

我國煤炭資源豐富但賦存條件較為復雜，我國煤層中有近四成開采存在堅硬頂板問題，堅硬頂板是指在煤層的頂板或直接頂的上端存在一層硬度高的巖層，多由砂巖和礫巖等組成。堅硬頂板在開采過程中難垮難落形成大面積的懸頂，懸頂一旦發生垮落將會造成工作面沖擊災害，同時在沿空留巷留煤柱開采的巷道，大面積懸頂將會造成煤柱尺寸增大，造成能源的損害，同時在無煤柱開采的礦山，大面積懸頂造成巷道變形增大，巷道的維護成本加大，所以對堅硬頂板進行預裂是十分必要的，此前韓軍軍[1]為了解決工作面頂板難垮難落的問題，提出水力壓裂進行卸壓，通過分析水力壓裂工藝流程及壓裂參數的步驟情況，為后期現場水力壓裂卸壓施工提供技術參考。李宇[2]通過水力壓裂技術對綜采面的頂板進行卸壓，發現經過弱化頂板消除了部分懸頂，有效的降低煤體應力集中，降低了工作面及回撤通道的變形。本文以斜溝礦為研究背景對回撤工作面頂板進行水力壓裂，通過數值模擬軟件對水力壓裂進行研究，為后續工程實踐提供一定的參考。

2 水力壓裂研究

斜溝礦18502工作面采用綜合機采進行開采，在其8#煤層工作面選用雙回撤通道回撤，主回撤通道采用錨桿錨索及液壓支架聯合支護，在初次支護錨桿錨索支護完畢后，利用鋼筋梯子及補打錨桿錨索進行支護補強，同時在回撤通道與聯絡巷交匯位置布置液壓支架。但由于回撤通道受到工作面超前支撐壓力的作用，使得回撤通道的頂板受到較大的自重，造成通道的圍巖發生變形，所以需要對回撤巷道進行水力壓裂卸壓。

水力壓裂技術是指在煤層頂板進行縱向鉆孔，利用高壓水進行鉆孔注水，達到壓裂頂板，在頂板形成人工裂縫，以此達到卸壓目的。為了對實踐壓裂提供一定參考，本文利用數值模擬對巖石的水力壓裂特性進行研究，首先進行模型構建，由于斜溝礦回撤通道頂板屬于砂巖，所以建立砂巖模型，模型的彈性模量為10GPa，砂巖的內摩擦角為28°，泊松比為0.23，粘聚力為9.5MPa，抗拉強度為4.0MPa，選用摩爾庫倫本構模型。

模型長寬均為500mm，高度為3000mm，對模型進行網格劃分，網格劃分選用八節點線性劃分法，根據實際資料對模型進行約束及邊界應力的施加，在模型的中心位置進行鉆孔并注水，提交作業進行壓裂。模型示意圖如1所示。

首先對不同地應力條件下水力壓裂進行研究，鉆孔的直徑選定為56mm，壓裂段長度為600mm，最小水平主應力為6MPa，垂直應力為10MPa。通過改變最大水平主應力來改變應力差，最大水平主應力分別選擇8MPa、12MPa和18MPa。應力云圖如2所示。

從圖2可以看出，在注液壓力一定的情況下，隨著水力壓裂最大水平應力差的增大，巖石內部的應力分布出現逐步增大現象，且隨著應力差的增大，巖石內部應力最大值出現的位置不會發生改變，均會出現在巖石的鉆孔中心位置，當最大水平主應力為8MPa，應力差為2MPa時，此時的最大壓應力為9.7MPa，當最大水平主應力為10MPa，應力差為4MPa時，此時最大壓應力增大至12.3MPa，較2MPa時增大了2.6MPa，當最大水平主應力為12MPa，應力差為6MPa時，此時的最大拉應力為17.2MPa，較2MPa時增加了6.5MPa，可以看出，在一定水壓的作用下，隨著應力差的增大，巖石內部的最大應力值也在增大，反之為隨著應力差的增大，巖石發生起裂時需要的注液壓力越低，壓裂越容易發生。這是由于隨著應力差的增大，應力差對巖石起裂的指引作用越強，裂縫起裂向著最小主應力方向約容易發生，所以巖石起裂需要的注液壓力越低。同時可以發現，巖石內部的應力分布呈現對稱分布，對稱軸為巖石的鉆孔中心軸線上。

對不同壓裂段長度下巖石內部應力分布情況進行分析，選定應力差為6MPa進行研究，鉆孔直徑保持56mm，壓裂段長度為200mm、400mm和800mm。

通過觀測可知，當壓裂段長度為200mm，拉應力在壓裂段的中心部位首先出現，隨著水壓的不斷增大拉應力最大值逐步增大，當水壓增大到12MPa時，此時壓裂段開采發生擴展，出現裂縫，此時在壓裂段端頭位置出現最大值20.1MPa，當壓裂段長度為400mm時，由于壓裂段的長度較大，在水壓達到11.3MPa時，鉆孔被完全貫通，此時的裂縫呈現直線型，此時的最大壓應力為19.9MPa，當壓裂段長度增大至800mm時，此時的巖石的應力分布圖與400mm時幾乎類似，在水壓增大至11.1MPa時，裂縫完全貫通，最大壓應力為19.6MPa。可以看出，隨著壓裂段長度的增大，巖石起裂需要的水壓逐步降低。所以在一定的應力差下，增大壓裂段的長度可有效的降低水壓。

3 水力壓裂卸壓前后對比分析

采用水力壓裂對頂板進行卸壓，保證工作面能夠及時卸壓，及時冒落。對經過水力壓裂卸壓前后垛式支架的應力情況進行研究，驗證水力壓裂卸壓的可行性。從圖中可以看出，當回撤通道距離工作面為50m后，卸壓前后垛式支架承受的支撐阻力類似，從數值上分析可知，卸壓前后支撐阻力值相差0.12MPa，所以可知應力影響方位小于50m。當回撤通道距離工作面距離15m時，此時經過卸壓后，支撐阻力降低了0.5MPa，當回撤通道距離工作面距離5m時，此時的支撐阻力降低了1MPa，所以經過水力壓裂卸壓后，工作面頂板可及時冒落，回撤通道垛式支架的壓力有了明顯的減小，回撤巷道的礦壓顯現情況得到了一定的解決。

4 結論

①根據對應力差對巖石水力壓裂的影響進行模擬發現，隨著水平應力差的增大，巖石壓裂段的壓應力最大值逐步增大，巖石起裂需要的注液壓力逐步降低，且應力分布呈現對稱性;②根據對壓裂段長度對巖石水力壓裂的影響進行模擬發現，隨著壓裂段長度的增大，巖石起裂需要的注液壓力逐步降低，但壓裂段長度增大到一定程度后，壓裂段長度對巖石起裂的影響效果降低;③經過對水力壓裂卸壓前后回撤通道垛式支架支撐壓力進行分析發現，經過水力壓裂卸壓后垛式支架支撐應力的增加趨勢逐步降低，且應力最大值有了明顯減小，卸壓效果明顯。

參考文獻：

[1]韓軍軍.煤礦水力壓裂切頂卸壓工藝分析[J].能源與節能，2019（12）：102-103.

[2]李宇.綜放工作面回撤通道水力壓裂切頂卸壓技術研究[J].同煤科技，2019（04）：21-23.