淺埋深堅硬頂板定向鉆孔水力壓裂技術應用研究

程宇暉

（霍州煤電集團有限責任公司辛置煤礦，山西 霍州 031400）

0 引言

隨著多年煤炭資源的開采，眾多難題制約著開采技術的發展，其中堅硬頂板問題無疑是最常見的問題，在我國約4 成以上的煤層存在堅硬頂板問題，由于堅硬頂板的存在使得在開采過程中，頂板無法直接垮落，形成較大面積的懸頂，而懸頂的存在使得巷道圍巖變形，一旦懸頂無法承載覆巖重量發生垮落則會造成較大的沖擊波，嚴重威脅著生產人員的安全，針對堅硬頂板我國常見的治理方法多為爆破切頂[1]，通過在堅硬頂板中轉孔爆破達到頂板的預裂效果。水力壓裂技術是一種通過高壓注水從而達到預裂頂板的一種技術手段，其相較于爆破切頂具有工序簡單、成本低的優點，所以水力切頂得到了進一步的發展，此前眾多學者對水力壓裂進行過一定的研究[2]，本文基于前人的研究對影響水力壓裂切頂效果的參數進行研究，旨在滿足切頂效果的基礎上達到降低成本的目的，為后續堅硬頂板治理提供一定的參考與借鑒。

1 礦井概況及數值模型建立

霍州煤電集團有限責任公司辛置礦（全文簡稱辛置礦）地表位于山西臨汾橋西村西北1 000 m，上跑蹄村以南570 m，焦家垣東北1 800 m；地表多為荒地，北部地貌為溝壑，中部、南部均較平坦，辛置礦2-208（以下簡稱2-208）綜放工作面開采2 號煤層，其上部3 號煤層已經采空，3 號煤層與2 號煤層間距離6 m左右，層間距較小，工作面回采屬于近距離采空區下開采。

由于2-208 工作面四周為未開采煤層，工作面的走向長度為320 m，主采煤層為2 號煤層，煤層厚度為1.6～2.4 m，煤層平均厚度為1.9 m，煤層的平均傾角為2.1°，煤層整體較為穩定。工作面埋深較淺，整體巖性較為堅硬，頂板管理難度較大，為了保障工作面的安全開采，需要對工作面頂板進行治理，在經過充分考慮后選定采用水力壓裂切頂，對水力壓裂切頂參數進行研究[3]。

利用數值模擬對水力壓裂參數進行研究，選用abaqus 數值模擬軟件進行模擬，考慮到堅硬頂板面積較大，在一定程度上可以簡化為有限個小單元，所以模型建立為尺寸為20 m×20 m 的正方體，在模型中間施加鉆孔，鉆孔的直徑為50 mm，對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時，充分考慮模型的計算精度及計算時間，在模型靠近鉆孔位置進行細劃分，單元格尺寸為1 cm×10 cm，在距離鉆孔較遠段適當粗劃分，單元格尺寸為0.2 mm×0.2 mm，完成模型網格劃分后對模型進行物理參數設定，將模型整體物理參數設定為砂巖參數，在模型的鉆孔內部設定注水點，對模型的邊界條件進行設定，固定模型四邊的位移，在模型的垂直方向施加最大水平主應力，在模型的水平方向施加最小水平主應力，固定最大水平主應力為8 MPa，通過改變最小主應力以此來達到改變應力差，完成模型的建立。

2 模擬分析

首先對應力差2 MPa 下模型的起裂進行研究，模型的預制角度為45°，在預制尖端位置布置應力監測點，用于監測模型壓裂過程中應力變化情況，模型壓裂曲線如圖1 所示。

圖1 模型壓裂曲線

由圖1 可以看出，當預制尖端角為45°時，在模擬0～14 s 內時，此時的注液壓力呈現緩慢上升的趨勢，此時模型內部的孔隙被液體填充，此時的巖石內部無裂縫產生，當注液時間來到14～40 s 內時，在此階段注液壓力達到峰值，此時模型內部能量快速聚集，并沿著預制端發生起裂，此時的應力峰值為11.26 MPa，當注液時間超過40 s 時，此時注液壓力曲線急速下降并穩定，壓力裂縫發生擴展，壓裂完成。根據注液壓力隨時間的變化趨勢，可將壓裂過程分成孔隙注液階段、壓裂階段、擴展階段三個部分。

對不同應力差下起裂壓力進行分析，選定應力差為2 MPa、3 MPa 和4 MPa，選定三種應力差下的注液壓力峰值進行匯總如圖2 所示。

圖2 不同應力差下的注液壓力峰值曲線

從圖2 可以看出，隨著設定應力差逐步增大，此時注液壓力峰值呈現降低的趨勢，但整體降低趨勢呈現減弱的特點，當應力差為2 MPa 時，此時注液壓力峰值為11.26 MPa，應力差增大至3 MPa 時，注液壓力峰值增大至10.24 MPa，應力差4 MPa 時，注液壓力峰值為9.42 MPa，出現這樣現象的原因是由于隨著應力差的增大，此時限制巖石起裂的作用力減弱，巖石起裂需要的能量減少，注液壓力峰值降低。

對不同預制角下的裂縫擴展長度進行研究，預制角分別為0°、15°、30°、45°、60°，不同預制角下裂縫擴展長度變化趨勢如圖3 所示。

圖3 不同預制角下裂縫擴展長度變化曲線

如圖3 可以看出，隨著預制角度的不斷加大，此時裂縫長度呈現出逐步減小的趨勢，當預制角為0°時，此時裂縫的長度為9 m，預制角增大至15°時，裂縫長度為8.1 m，較預制角0 時減小了0.9 m，當預制角30°、45°和60°時，此時的裂縫長度分別為7.8 m、6.4 m 和5.8 m，相較于預制角0 時，分別減小了1.2 m、2.6 m 和3.2 m。這是由于隨著預制角的增大，此時巖石起裂需要的能量越小，鉆孔內部能量聚集越少，一旦鉆孔尖端發生起裂后，鉆孔內部的的能量快速釋放，由于能量聚集較少，所以裂縫擴展長度有所下降。

對不同注液量下，裂縫參數變化情況進行分析，設定注液排量分別為0.001 m3/s、0.002 m3/s、0.003 m3/s、0.004 m3/s 及0.005 m3/s。注液量與裂縫擴展長度變化曲線如圖4 所示。

圖4 注液量與裂縫擴展長度變化曲線

如圖4 可以看出，隨著支注液量的增大，此時裂縫擴展長度呈現逐步增大的趨勢，當壓裂液排量為0.001 m3/s 時，可以看出此時的裂縫長度為6.2 m，增大壓裂液排量為0.002 m3/s、0.003 m3/s、0.004 m3/s、0.005 m3/s 時，此時裂縫擴展長度分別為9.8 m、12.4 m、14.2 m、16.4 m，相比壓裂液排量0.001 m3/s 時，裂縫的擴展長度分別增大了3.6 m、6.2 m、8.0 m、10.2 m。出現這一現象的原因是由于隨著壓裂液排量的增大，此時相同時間內鉆孔內部聚集的能量增大，在巖石起裂瞬間，巖石內部流體快速流動，由于能量沖擊，使得裂縫擴展的長度增加。

3 結論

1）根據注液壓力隨時間的變化趨勢，可將壓裂過程分成孔隙注液階段、壓裂階段、擴展階段三個部分。

2）隨著設定應力差逐步增大，此時注液壓力峰值呈現降低的趨勢，但整體降低趨勢呈現減弱的特點。

3）根據不同預制角下裂縫擴展長度變化曲線可知，隨著預制角度的不斷加大，此時裂縫長度呈現出逐步減小的趨勢。同時，根據不同注液排量下裂縫擴展長度變化曲線可知，隨著支注液量的增大，此時裂縫擴展長度呈現逐步增大的趨勢。