水力压裂切顶卸压技术在屯兰矿的应用研究

秦 伟

（西山煤电集团有限责任公司屯兰矿，山西 太原 030053）

引言

煤炭资源作为我国主要的能源形式，其每年用量及产量均为世界第一。随着我国多年煤炭资源的开采，众多开采问题始终影响着矿井的高效开采，坚硬顶板问题为煤矿开采最为常见的问题之一。坚硬顶板是指矿井巷道顶板为岩性较为坚硬的煤层，在巷道开采过程中，由于坚硬顶板的存在，使得覆岩无法直接垮落，从而形成大面积的悬顶，进而造成巷道围岩变形较大，悬顶一旦发生垮落就会造成巨大的冲击波，威胁着矿井的开采，同时，由于大面积悬顶的存在会造成留煤柱开采矿山煤柱尺寸大幅度增加，造成严重的资源浪费，所以对坚硬顶板进行治理十分重要[1-2]。此前我国针对坚硬顶板治理的办法主要为爆破卸压，使得悬顶出现预裂缝，从而降低顶板整体性，达到顶板随采随落的目的。考虑到爆破切顶卸压会产生大量的粉尘，污染较大，所以提出水力压裂切顶卸压[3-4]，本文以屯兰矿22301 工作面为工程背景，采用数值模拟软件对水力压裂切顶卸压进行研究，为矿井坚硬顶板的治理提供参考。

1 矿井概况及数值模型建立

屯兰矿位于山西省古交市西南6 km，井田面积73.3 km2，可采储量6.28 亿t，设计年生产能力500 万t。22301 工作面主要开采2# 煤层，煤层平均厚度为2.80 m；22301 工作面走向长2 673 m～2 632 m，倾向长205 m。水力压裂切顶卸压主要是在巷道顶板进行定向钻孔，并对钻孔进行及时封堵，通过高压注射压裂液对钻孔进行压裂，达到在坚硬顶板中形成一定的裂缝网，从而达到削弱顶板整体性的目的，此时顶板稳定性下降，随着采动影响，巷道顶板逐步发生垮落，从而解决坚硬顶板的问题。水力压裂切顶卸压参数的控制，可以起到控制裂隙网位置、裂隙密度等因素的作用。

为了对水压致裂可行性进行研究，利用数值模拟软件对定向水力压裂的起裂及裂缝扩展进行研究，通过监测孔压的变化，从而分析裂纹产生及裂纹扩展的规律。首先进行水力压裂模型的建立。考虑到巷道顶板的无界性，所以在进行模型建立时只需建立正方形顶板即可。建立模型尺寸为4 m×4 m，压裂钻孔设定为高径比为1∶4 的菱形，菱形的高为100 mm，对模型施加垂直及水平方向的应力，垂直应力及水平应力分别设定为10 MPa 和8 MPa，应力差为2 MPa。对模型钻孔进行水压注射，采用固定给水压力进行压裂，注水压力为28 MPa，钻孔压力的变化直至压裂完成，压力无变化时停止，观测时长为400 s，对模型进行水力压裂。

2 模拟计算

钻孔应力随注液时间变化曲线如图1 所示。

图1 钻孔应力随注液时间变化曲线

从孔压力变化曲线可以看出，随着注液时间的增大，孔压力从基本维持在初始孔压力逐渐升高达到最高值，在达到最大值后逐渐降低。在整个水力压裂过程中，当水压力未达到钻孔起裂压力时，此时钻孔岩体基本未发生破碎，没有裂纹产生，随着注液时间及注水量的增大，此时钻孔内部能量快速积聚并达到钻孔起裂压裂，钻孔壁出现破裂，岩体内部产生一定的裂缝。随着压裂液的不断注入，此时钻孔压力能够达到的最大值表示岩体稳定的最大水压力，为压裂的起裂压力，从图1 可以看出起裂压力为15.5 MPa，随着注液时间的增大，在裂纹完成起裂后，此时压裂液随着压裂裂缝不断地流入岩体中，造成裂缝出现定向的扩展，钻孔压力逐步呈现下降趋势，考虑到裂纹的发育等因素，使得钻孔内部的压力出现不均匀下降，会形成一定的波动现象，总体呈现下降趋势。当压裂完成时，此时随着注液时间的进一步增大，钻孔内部压力并不会发生较大幅度的变化，总体呈现出稳定趋势，压力稳定为9.83 MPa，整个水力压裂过程结束。

在完成定向水力压裂过程孔压力变化分析后，对压裂时裂纹起裂扩展随注液时间的变化进行分析，通过对“裂纹扩展直径”与“黏结破裂数量”两个分析指标对扩展进行分析，定向水力压裂过程中裂纹直径与黏结破裂数量的变化曲线如2 所示。

从图2 可以看出，裂纹扩展的直径与单元颗粒黏结破裂数量随着注液时间的增加，均呈现逐步增大的趋势，所以可以得出钻孔裂缝的扩展沿着直线方向进行延伸扩展，虽然在过程中呈现出一定的偏折，但整体扩展趋势沿直线方向。在裂缝直径扩展过程中大致呈现出两个阶段的趋势，分别为80 s 前的快速增长和80 s 后的缓慢增长。这是由于，随着裂缝扩展长度的不断加大，水流扩展过程中消耗的能量逐步增大，所以用于扩展的能量减小，裂缝扩展速度降低。观察单元颗粒黏结断开数量随注液时间的变化趋势，可以看出当初始裂隙开始形成时，此时裂纹快速发育，裂缝颗粒粘结破坏数量逐步增加，后期与裂缝扩展直径机理类似，颗粒数逐步趋于稳定。

图2 裂纹直径与黏结破裂数量随时间变化曲线

在模型的水平方向施加10 MPa 压力，改变模型的垂直方向压力来改变模型的围压比，选定围压比为1.0、1.1.1.2、1.3、1.4、1.5 时对模型进行水力压裂，注液压力选定为32.5 MPa。不同围压比下裂纹扩展直径和裂缝颗粒黏结破坏数量曲线如图3 所示。

图3 不同围压比下裂纹直径与黏结破裂数量的变化曲线

从图3 可以看出，裂纹的扩展直径和裂缝单元黏结的破坏数量均呈现逐步降低的趋势，当模型的围压比为1∶1 时，此时裂缝扩展直径为2.7 m，而裂缝单元黏结破坏数量为84 个，随着模型围压比的增大，此时裂缝扩展半径和黏结单元破坏个数逐步降低，当围压比为1∶1.5 时，此时裂缝扩展直径为2.1 m，而裂缝单元黏结破坏数量为56 个，为几种围压比下的最小值，所以可以反映出随着围压比的增大，此时钻孔起裂后裂纹向外延伸的难度增加。这是由于，随着围压比的不断增大，此时垂直应力数值逐步增大，岩石发生起裂时预制裂缝尖端受到的限制作用也就越强，此时裂缝尖端起裂后发生扩展需要的能量也就越多，从而导致裂缝扩展的半径减小，对应的裂缝单元黏结破坏数量也就降低。

3 结论

1）利用数值模拟软件对水力压裂过程中钻孔应力随时间变化曲线进行研究，发现随着注液时间的增大，钻孔应力呈现先增大后减小的趋势，起裂压力为15.5 MPa。

2）通过对不同支压裂时间下裂缝扩展直径和裂缝黏结单元破坏数量进行研究，发现随着时间的增大，裂缝扩展直径和裂缝黏结单元破坏数量均呈现逐步增大的趋势。

3）对不同围压比下裂缝扩展直径和裂缝黏结单元破坏数量进行分析，发现随着围压比的不断增加，两者均呈现逐步减小的趋势。