馬蘭礦水力壓裂堅硬頂板控制技術的研究

郭洪明

山西焦煤西山煤電馬蘭礦 山西 太原 030200

1 前言

我國煤炭雖然儲量豐富但賦存條件較為復雜，近四成的煤層存在堅硬頂板。堅硬頂板是指煤層上方直接賦存或在厚度較薄的直接頂上方存在的堅硬巖層，其主要特點為硬度大、整體性好、分層厚度大等。堅硬頂板的存在會對礦山的開采造成嚴重的影響。由于堅硬頂板極難垮落，隨著工作面的持續推進，巷道頂板形成大面積的懸頂，懸頂一旦垮落會產生一定的沖擊載荷，造成采空區的瓦斯涌出，發生瓦斯爆炸事故。對于留煤柱開采的礦山，大面積的懸頂使得護巷煤柱的尺寸增大，降低了煤礦的出煤率[1，2]，同時護巷煤柱的尺寸過大會造成沖擊地壓災害。在無煤柱開采的沿空掘巷、沿空留巷，大面積的懸頂造成巷道的變形增大[3，4]，使得巷道的維護成本增加。所以堅硬頂板的治理對于煤礦開采至關重要。本文以馬蘭礦18507工作面為研究背景，利用數值模擬軟件對砂巖定向水力壓裂進行一定的研究，給出壓裂參數對壓裂效果的影響，為堅硬頂板的治理提供一定的參考。

2 數值模擬準備

馬蘭礦位于山西古交西南15km，井田面積為104.4km2，礦井設計生產能力400萬噸/年，8號煤層的 18507工作面進行開切眼布置時，由于頂板巖性為砂巖等堅硬巖性，造成工作面覆巖出現大面積的懸頂，因此本文為了解決堅硬頂板難垮難落的問題，選定以砂巖為研究對象進行數值模擬研究。

本文選定abaqus數值模擬軟件進行模擬，首先進行數值模擬件建立，在進行設置模擬建立，模型的幾何尺寸設定為300mm*300mm，在模型的中心切削出直徑為25mm的圓，對模型進行網格劃分，在網格劃分時充分考慮電腦的運行速度及模擬結果的精確性，選定四邊形網格劃分法對模型進行網格的劃分，完成網格劃分后對模型進行物理參數設定，具體設定情況如下：預制角度: 60°，彈性模量：1.5E+10，泊松比：0.25，注液速度：40mL/min，最大主應力：7MPa 最小主應力3MPa，流體泄露頂底系數均設定為-1E-012，損傷粘性系數設定為0.0001，間隙流粘性0.001，滲透性K設定為1E-006，0.1。完成物理參數設定后對模型的邊界進行約束，在模型四周施加固定約束，防止模型移動。完成模型設定后開始計算。

3 數值模擬研究

首先對不同應力差下，砂巖的起裂壓力進行研究，不同應力差環境選定2MPa、3MPa、4MPa和5MPa，2MPa的模擬結果如圖1所示。

圖1 模型計算云圖

如圖1所示可知，水力壓裂的模擬圖大致呈現三個階段變化，第一階段當注液壓力大于巖石的起裂壓裂時，此時的巖石沿著預制裂縫方向起裂；第二階段為巖石起裂后受到水平應力差的影響出現裂縫的偏轉現象；第三階段當偏轉完成后裂縫沿著最大主應力方向發生擴展。這是隨著不斷向鉆孔內部注入壓裂液，鉆孔內部的能量不斷增大，當鉆孔內部的能量大于鉆孔起裂所需的能量時，鉆孔發生起裂，起裂瞬間由于能量瞬間釋放，此時起裂裂縫會沿著預制尖端擴展一定的長度，后隨著水平應力差的作用，裂縫出現偏轉，偏轉至沿最大主應力方向，隨著壓裂液的繼續注入此時的裂縫沿著最大主應力方向持續發生擴展，完成水力壓裂的整個過程。從圖中可知最大變形量及起裂壓力均出現在鉆孔壁附近，且應力及應變云圖呈現出對稱的趨勢。

對模型預制尖端起裂單元進行分析，對其在不同水平應力差下的裂縫寬度、壓裂液流速進行對比研究。

當水平應力差為2MPa時，此時尖端單元的裂縫寬度為0.15mm，當水平應力差增大至3MPa時，此時的模型的預制尖端裂縫寬度為0.13mm，裂縫寬度降低了15.41%，隨著水平應力差提升至4MPa時，此時裂縫起裂的寬度為0.115，降低了13.04%，當水平應力差增大至5MPa時，此時的裂縫寬度最小為0.11mm，降低了4.54%。可以看出隨著水平應力差的增大，預制裂縫尖端單元的裂縫寬度逐漸減小，這是由于隨著水平應力差的增加，相同預制裂縫下的紫砂巖起裂壓力逐步減小，巖石內部的憋壓程度降低，在巖石起裂瞬間釋放的能量減小，所以巖石預制裂縫尖端單元的裂縫寬度呈現下降的趨勢。對比圖如2所示。

根據圖2可知，當水平應力差為2MPa時，此時尖端單元內部壓裂液流速為0.075m/s，隨著水平應力差增大至3MPa時，此時尖端起裂單元的壓裂液流速為0.068m/s，相較于水平應力差2MPa，壓裂液流速降低了10.29%，當水平應力差提升至4MPa時，此時壓裂液流速為0.064m/s，較3MPa降低了6.25%，當水平應力差增大至5MPa時，此時的壓裂液流速最小為0.059m/s。可以得出隨著水平應力差的增大，預制尖端起裂單元內部壓裂液流速逐漸減小。隨著水平應力差的增加，紫砂巖的起裂壓力減小，巖石發生起裂時瞬間釋放的能量減弱，壓裂液迸發的壓力降低，流速減慢。巖石起裂瞬間釋放的能量減小，所以巖石預制裂縫尖端單元的壓裂液流速呈現下降的趨勢。

圖2 不同應力差下壓裂參數變化圖

對不同應力差下砂巖水力壓裂巖石起裂偏轉角進行研究，起裂偏轉角隨水平應力差變化趨勢如圖3所示。

圖3 不同應力差下起裂偏轉角變化圖

從圖中可以看出，水平應力差為2MPa時紫砂巖的偏轉角最小為5.2°，當水平應力差增大至3MPa時，此時紫砂巖的偏轉角增大至了10.5°，隨著應力差的進一步增大，紫砂巖的偏轉角增大至16.2°，水平應力差為5MPa時，此時紫砂巖的偏轉角最大為22.8°。所以隨著水平應力差的增加，紫砂巖起裂的偏轉角逐步增大。這是因為隨著水平應力差的增加，裂縫沿著預制尖端起裂時受到最大水平主應力的約束作用越強，裂縫會朝著約束相對較小的方向發生擴展。

可以看出，隨著設定的水平應力差增大，砂巖的起裂壓力逐步減小，起裂瞬間釋放的能量減小，此時巖石起裂的裂縫的寬度及巖石內部流體的流速降低。同時水平應力差越大，應力差對巖石的起裂促進作用越強，預制尖端對起裂的導向作用越低，巖石的起裂偏轉角越大，當水平應力差增大到一定程度時，此時的預制裂縫對巖石起裂的指導作用消失，巖石沿著鉆孔壁起裂。

4 結論

（1）本文通過數值模擬軟件對砂巖定向水力壓裂進行研究，發現定向水力壓裂過程可分為三個階段，分別為起裂、偏轉、擴展。

（2）通過數值模擬軟件對不同應力差下巖石起裂參數進行研究發現，隨著應力差的增大，巖石起裂的裂縫寬度及液體流速均呈現下降的趨勢。

（3）通過模擬分析發現，隨著水平應力差的增大，水平應力差對巖石起裂的約束作用增大，巖石的起裂偏轉角逐步增大。