田飞飞
山西焦煤西山煤电马兰矿 山西 太原 030200
随着矿井开采年限的不断增加,煤炭覆存较为简单的煤层开采已经逐步完毕,开采重点朝着深部及覆存条件较为复杂的煤层转移。据统计我国约有4成的矿井存在坚硬顶板的问题,坚硬顶板的存在使得工作面悬顶面积大幅度增大,悬顶极难发生垮落,造成悬顶的失控。同时大面积的选定会造成巷道围岩变形过大,而对于留煤柱的矿井,大面积的悬顶会使得煤柱尺寸有所增大,降低矿井的经济效益,所以解决坚硬顶板问题成为了矿井重要的难题[1,2]。目前针对坚硬顶板的治理大多采用聚能爆破切顶,但爆破会造成环境污染,不符合绿色发展目标,所以提出水力压裂切顶[3,4],目前针对水力压裂切顶的研究较少,因此本文以镇城底矿为研究背景,利用数值模拟软件,对水力压裂切顶卸压参数进行研究,旨在为后续水力压裂方案设定提供一定的理论依据。
定向水力压裂是指在顶板内部预先进行钻孔,并在钻孔内部设定预裂缝,使之形成软弱面,对钻孔进行封闭处理,完成钻孔封闭后对钻孔进行注液,由于坚硬顶板岩层多为致密岩性,所以在钻孔内部由于注液时间的不断增加,从而钻孔内部能量快速聚集,当钻孔内部能量超过钻孔预裂缝的抗拉强度时,此时钻孔沿着预裂缝发生扩展,从而形成连续裂缝,由于水力压裂顶板使得顶板的完整性大打折扣,此时顶板会沿着裂缝发生垮落,达到随采随落的目的,保证巷道的稳定性。
为了对水力压裂不同参数下压裂效果进行分析,本文利用数值模拟软件进行建模分析,首先由于巷道顶板尺寸很大,不存在边界问题,所以本文设定模型的尺寸为200mm×200m,在模型的中心开挖20mm的圆,并在圆在钻孔半径位置预制对称裂缝,裂缝与最大水平应力的夹角为预制裂缝角,对模型进行网格划分,按照1mm×1mm的尺寸进行网格划分,共计40000个网格,完成网格划分后对模型应力差进行设定,最大水平主应力设定为6MPa,通过改变最小水平完成应力差的改变,对钻孔内部进行水压设定,初始水压设定为2 MPa,水压增量为0.5 MPa/步。模型的力学参数参照砂岩进行设定。
模型建立完成,对模型进行计算,如图1所示为随着时间变化岩石内部变形云图。
图1 水力压裂过程模拟云图
从图1中可以看出,随着注液时间的不断增加,钻孔内部裂缝的变形特征呈现不同态势。裂缝扩展大致可以分为三个阶段,能量累计阶段,在此阶段内钻孔内部的能量快速聚集,此时裂缝尖端的应力快速增站,但裂缝并未发生扩展。钻孔起裂阶段,在此阶段内钻孔内部的能量聚集超过钻孔裂缝的抗拉强度,此时裂缝出现起裂,起裂位置沿着钻孔预制裂缝尖端。裂缝扩展阶段,在此阶段内,随着注液时间的不断增加,此时钻孔裂缝沿着裂缝尖端不断扩展,扩展呈现对称分布特征,裂缝沿着尖端起裂后会迅速发生偏转,并沿着最大水平主应力方向发生扩展,这是由于裂缝起裂后受到应力差的作用,使得裂缝快速偏转,同时由于沿着最大水平主应力方向限制裂缝张开的作用力较小,所以裂缝沿着此方向发生扩展。
同时观察应力变化可以看出,在岩石未发生起裂时,此时应力值较高,但当岩石完成起裂后岩石的应力值会迅速下降,下降后几乎不发生大的变化,仅会出现微小的波动,这是由于岩石水力压裂为瞬间过程,能量在钻孔起裂瞬间完成释放,所以应力值快速下降。同时可以明显看出岩石的水力压裂应力曲线大致为单峰形,即随着注液时间的增大,压力值先快速增大后迅速下降,逐步达到平稳状态。
对不同水平应力差下的裂缝宽度进行分析,选定水平应力差2MPa、3MPa、4MPa、5MPa进行研究,绘制不同水平应力差下裂缝张开度曲线如图2所示。
从图2可以看出,随着水平应力差的增大,裂缝张开度呈现逐步减小的趋势,当水平应力差为2MPa时,此时裂缝张开度为0.15mm,当水平应力差3MPa时,此时裂缝张开度为0.13mm,较水平应力差2MPa时下降了0.02mm,当水平应力差4MPa时,此时裂缝张开度为0.115mm,较水平应力差2MPa时下降了0.035mm,当水平应力差5MPa时,此时裂缝张开度为0.11mm,较水平应力差2MPa时下降了0.04mm。可以看出降低的趋势逐步减弱,水平应力差越大裂缝的张开度逐步减小,这是由于随着应力差的增大,岩石发生起裂需要的能量越小,裂缝起裂瞬间释放能量较小,使得钻孔裂缝的张开度也就越小。
对不同水平应力差下的裂缝起裂偏转角进行分析,起裂偏转角是指起裂裂缝与预制裂缝的夹角。同样选定水平应力差2MPa、3MPa、4MPa、5MPa进行研究,绘制不同水平应力差下裂缝偏转角变化曲线如图3所示。
图3 不同水平应力差下裂缝偏转角变化曲线
从图3可以看出,随着水平应力差的增大,裂缝起裂偏转角呈现逐步增大的趋势,当水平应力差为2MPa时,此时裂缝偏转角为5.2°,当水平应力差3MPa时,此时裂缝张开度为10.3°,较水平应力差2MPa时增加了5.1°,当水平应力差4MPa时,此时起裂偏转角为16.6°,较水平应力差2MPa时增加了11.5°,当水平应力差5MPa时,此时裂缝偏转角为23.6°,较水平应力差2MPa时增加了18.5°。可以看出随着水平应力差的增大,岩石起裂瞬间裂缝偏转角呈现逐步增大的趋势。当水平应力差越大,此时岩石起裂瞬间受到应力差的控制效果也就越强,最大水平主应力对裂缝起裂控制越强,起裂偏转角越就越大。
(1)根据钻孔内部裂缝的变形特征,将水力压裂下裂缝扩展分为三个阶段,分别为能量累计阶段、钻孔起裂阶段、裂缝扩展阶段,伴随着三个阶段,裂缝先起裂后向着最大水平主应力方向发生偏转。
(2)通过对不同水平应力差下裂缝张开度进行分析,发现随着水平应力差的增大,裂缝张开度呈现逐步减小的趋势,减小的趋势随着水平应力差的增大逐步降低。
(3)通过对不同水平应力差下裂缝偏转角进行数值模拟研究发现,随着水平应力差的增大,裂缝起裂偏转角呈现逐步增大的趋势。