定向水力致裂堅硬頂板的實踐范文

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《煤礦開采雜志》2014年第三期

1巖石定向水力致裂原理

水力致裂原理是通過在巖層中進行預先切槽，切槽處在高壓水的作用下，應力值和應變值急劇增加，當應力和應變超過一定值時，巖石就會開裂，則頂板就會被壓裂。定向水力致裂技術的關鍵在于預先切槽，由于在致裂部位產生了內嵌楔形槽，高壓水在開槽部位會產生應力集中，尖端應力值σmax和應變值εmax急劇增加。高壓泵流量大小也是影響水力致裂效果的重要指標。根據經驗，通常要求高壓泵流量不能低于80L/min，否則會減小致裂范圍而降低致裂效率。

2堅硬頂板定向水力致裂數值模擬

FLAC軟件是一種工程力學計算的顯式有限差分程序，主要模擬土、巖石等材料的力學行為，內部含有多個力學模型，如彈性模型、摩爾–庫倫模型。不但可以模擬巖石的線性問題，也可以模擬巖石的非線性問題。RFPA數值模擬是一種基于有限元應力分析和統計損傷理論的材料破裂過程計算方法，能夠模擬材料漸進破裂直至失穩全過程的數值試驗工具。針對模擬目的的不同選擇適合的數值模擬方法，本文采用FLAC2D模擬圍巖的應力集中程度，采用RFPA2D模擬巖石的裂紋擴展情況。

2.1模型建立采用FLAC2D建立二維模擬模型，模型尺寸為600mm×700mm，模型共分100×100的網格，本構模型采用彈性模型，鉆孔直徑42mm。模型上表面施加均勻的垂直壓應力(施加應力值采用深度為400m地應力實測值10MPa，模型兩側面施加隨深度變化的水平壓應力，水平壓應力根據側壓系數進行計算后得到)，模型下表面垂直位移和模型側面水平位移固定。

2.2模擬結果分析注水前，鉆孔切槽尖端的應力分布云圖和鉆孔水平沿監測線垂直應力分布曲線見圖1所示。從圖中可以看出，注水前，鉆孔切槽部位形成了壓應力集中，應力集中系數達到3～3.5。注水后(注水壓力為15MPa)，鉆孔尖端的應力分布云圖和鉆孔水平沿監測線垂直應力見圖2所示。從圖中可以看出，由于切槽的尖端效應，注水后形成拉應力集中，集中系數達到3～3.5。為了進一步分析水力致裂裂紋擴展情況，采用RFPA2D數值模擬軟件，模擬在頂板巖層中進行定向水力致裂時裂紋擴展情況，裂紋擴展示意圖見圖3所示。從圖3中可以看出，首先在鉆孔切槽附近形成裂紋，隨著壓裂時間的延長，裂紋逐漸向外擴展，擴展方向沿著切槽方向，正是由于切槽效應，較小的水壓即可形成大范圍的裂紋擴展，不但提高了致裂效率，也大大降低了致裂成本。

3堅硬頂板水力致裂工業性試驗

3.1試驗地點與鉆孔布置本次工業性試驗地點為煤峪口煤礦410盤區81008工作面的回風巷和運輸巷。開孔位置距頂板200～300mm，鉆孔長度為30m，孔間距為20m，仰角10°，鉆孔水平投影與巷道夾角為70°，鉆孔直徑為38mm。鉆孔布置見圖4所示。壓裂地點頂板巖石抗拉強度為9.32MPa，抗壓強度120MPa，垂直主應力5.5MPa，最大水平主應力7.71MPa，最小水平主應力為4.65MPa。根據工作面頂板巖層的特點，在工作面運輸巷與回風巷布置定向水力致裂鉆孔，實時監測致裂鉆孔兩側鉆孔涌水情況，通過觀測兩側鉆孔涌水情況分析水力致裂裂隙擴展范圍。

3.2試驗機具與設備(1)開鑿設備KC38鉆頭的直徑為38mm，成孔直徑42mm，該鉆孔小于傳統的鉆孔(預裂爆破)，這樣有利于提高鉆進效率。(2)封隔器主要是對開槽處進行封孔，從而使水保持較高的壓力，該封隔器不但可以較好地進行封孔，還可以進行不同深度的封孔，從而達到一個鉆孔多次壓裂的目的，增加壓裂效果。(3)注水壓力合理選取高壓注水泵的壓力和流量是影響水力致裂效果的關鍵，根據彈性理論，裂縫產生所需的破裂壓力計算式為:P=1.3×(9.32+4.65)=18.2(MPa)此外，由于高壓注水管路和泵站存在一定的工作阻力，個別區域巖石的抗拉強度和地應力數值也有差別，為了能保證壓力留有一定余量，確定高壓注水泵的額定壓力為35MPa。綜合考慮電機功率、設備體積及礦井實際條件等因素，確定泵的流量為120L/min。

3.3試驗過程首先進行鉆孔，鉆孔完成后，利用窺視儀設備進行圍巖窺視，確定圍巖完整區域，然后利用切槽鉆頭在圍巖完整區域進行開槽。開槽完成后，采用封隔器對開槽區域進行封孔，然后連接封孔設備，對封孔器進行注氣封孔，封孔器中的氣壓在15MPa左右，最后連接高壓注水泵，安裝水壓儀，對鉆孔不同深度的巖層進行分層壓裂。

4試驗結果分析

4.1壓裂鉆孔周圍監測孔觀測通過監測布置在壓裂鉆孔兩側的監測鉆孔涌水情況來分析裂縫的擴展范圍。試驗時，監測孔分別位于致裂孔15m，18m，20m，23m，通過致裂過程觀察監測孔涌水情況。當監測孔距離致裂孔15m和18m時，壓裂10～15min，監測孔有大量水涌出;當監測孔距離致裂孔20m時，壓裂20min左右，監測孔的水量有少量水流出;當監測孔距離致裂孔23m時，壓裂30min，監測孔沒有水流出。進行多組同樣試驗，壓裂情況與該孔壓裂情況基本相同。

4.2高壓泵水壓波動曲線分析注水致裂試驗過程中，記錄了2個孔的注水泵壓力波動曲線，變化曲線見圖5、圖6所示。從圖5可以看出，在壓裂開始時，水壓儀壓力逐漸上升，達到17MPa時，突然泵壓下降，這主要由于巖層開裂，卸壓導致泵站壓力下降，隨著裂縫擴展，泵站壓力開始保持穩定，裂紋慢慢地進一步擴展，當裂紋擴展至周圍鉆孔時，泵站壓力開始下降，關閉高壓泵，注水結束。從圖6可以看出，在高壓泵壓裂時，水壓儀監測曲線波動比較明顯，水壓升降劇烈，這主要由于巖層中存在很多裂隙、弱結構，當高壓水進入裂隙帶時，泵的水壓就會急劇下降，反之，則會急劇增加。

4.3工作面來壓步距觀測該工作面在未進行定向水力致裂以前，屬于堅硬難垮落頂板，工作面頂板的初次來壓步距達到了35m，周期來壓步距也達到了26m。來壓時，工作面有明顯的動力現象，工作面的支架經常受到沖擊破壞，巷道加強支護段錨桿也出現破斷現象。對該工作面進行定向水力致裂以后，周期來壓步距基本在13～16m，來壓過程中，沖擊明顯減弱，巷道錨桿未見破斷現象。綜上，定向水力致裂技術有效地改善了堅硬頂板的難垮落問題，并且由于采用了切槽技術，在切槽處形成了應力集中現象，所需壓力基本低于裂縫擴展壓力。但是在工程實踐過程中，也存在一些問題，例如封孔困難、壓力不足等，這些問題有待進一步研究。

5結論

通過對堅硬頂板水力致裂進行數值模擬和工業性試驗，得出如下結論:(1)在進行水力致裂時，切槽可有效降低裂縫破裂所需壓力;采用氣體膨脹式封隔器可對巖層堅硬段進行分段逐次壓裂。(2)定向水力致裂可使裂縫在頂板中擴展一定范圍，隨著壓裂處與孔口距離的增大，裂縫破裂和擴展所需的壓力也相應增大。(3)在壓裂過程中，壓力－時間曲線并不完全相同，這主要是因為巖石是非均質體，再加上受圍巖裂隙、地應力等因素的影響。

作者：劉麗萍單位：內蒙古烏海市煤炭局國有安監科