礦井堅硬頂板定向水力壓裂技術(shù)研究

黃小朋 張鵬鵬 閆耀飛

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024)

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礦井堅硬頂板定向水力壓裂技術(shù)研究

黃小朋 張鵬鵬 閆耀飛

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024)

為分析定向水力壓裂技術(shù)在古書院礦153303堅硬頂板工作面中的作用機(jī)制，通過 ANSYS 數(shù)值分析軟件研究在飽和水及自然狀態(tài)下頂板巖石受載的斷裂韌度，得出頂板巖石在飽和水作用下其斷裂韌度大幅降低，可有效促進(jìn)堅硬頂板的提前斷裂。通過現(xiàn)場實測，得出預(yù)裂后工作面頂板初次來壓平均步距為33.2 m，周期來壓步距為13.48 m，頂板受到了不同程度的弱化且能夠安全冒落，周期來壓時對支架的沖擊力較小，為該技術(shù)的推廣提供了可靠依據(jù)。

堅硬頂板 定向水力壓裂 周期來壓 數(shù)值模擬

堅硬頂板是指煤體上覆頂板巖層厚度較大,自穩(wěn)能力好，巖體抗拉、抗壓強(qiáng)度高，在煤體采出后覆巖大面積懸頂造成采空區(qū)長時間處于空洞狀態(tài)的頂板。隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，由之?dāng)U展的懸頂最終會發(fā)生折斷失穩(wěn)，在較短時間內(nèi)出現(xiàn)頂板冒落面積較大、沖擊力強(qiáng)、工作面來壓明顯等現(xiàn)象，會對工作面的人員和設(shè)備造成較大的威脅。

不同于傳統(tǒng)炸藥爆破致裂頂板時既產(chǎn)生大量有毒有害氣體，同時在高瓦斯礦井中存在較大安全隱患等缺點(diǎn)，定向水力壓裂技術(shù)不僅成本較低、安全性好，且能夠通過定向孔產(chǎn)生預(yù)定方向的裂隙，從而在處理堅硬頂板時得到良好的施工效果。因此，定向水力壓裂技術(shù)作為一種新的處理煤礦堅硬頂板的技術(shù)，具有十分廣泛的應(yīng)用前景和實用價值。

1 工程背景

古書院礦 15#煤層上覆直接頂為 K1灰?guī)r，巖層表現(xiàn)出較強(qiáng)的整體性和自承性能，因而在工作面推進(jìn)過程中，K1灰?guī)r大面積懸空，采空區(qū)頂板長時間難以折斷冒落。根據(jù)已有資料顯示，古書院礦 15#煤層開采時工作面初次垮落步距在41.37 m左右，周期來壓步距為27.2 m。針對此類問題，通常采用對堅硬頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破的方法，但會導(dǎo)致工作面局部瓦斯?jié)舛葒?yán)重超標(biāo)，給礦井的安全形勢帶來不利影響。本文以古書院礦 153303 工作面為研究對象，分析水力致裂的作用機(jī)制及工程效果。153303 工作面部分頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 工作面頂?shù)装迩闆r

2 ANSYS數(shù)值模擬研究

針對 153303工作面的堅硬頂板，采用定向水力壓裂技術(shù)后，會使頂板巖層軟化易彎折。為了掌握飽和水狀態(tài)對頂板巖石斷裂的影響，采用ANSYS數(shù)值模擬軟件，分別對巖石飽和水狀態(tài)和天然巖石狀態(tài)下的 15#煤層部分頂?shù)装鍘r層進(jìn)行建模，施加合理約束和載荷，收集結(jié)點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)力值數(shù)據(jù)，分析其應(yīng)力狀態(tài)。

2.1 巖石飽和水狀態(tài)

采用ANSYS軟件建立模型，根據(jù) 153303 實際地質(zhì)條件，參考巖石力學(xué)相關(guān)參數(shù)，對巖石斷裂進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，設(shè)置單元類型為 PLANE82，假設(shè)材料為各向同性線彈性材料，巖石飽水狀態(tài)下彈性模量E為62.98 GPa，泊松比μ為0.271，施加固定約束，根據(jù)工程實際取平均破壞荷載P為945 N。對堅硬頂板K1灰?guī)r進(jìn)行布點(diǎn)，觀測各結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及所對應(yīng)的應(yīng)力值，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 結(jié)點(diǎn)處計算結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果，得到不同結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的應(yīng)力值，再根據(jù)強(qiáng)度因子表達(dá)式計算出應(yīng)力強(qiáng)度因子KI。計算公式如下：

式中：σx——X方向應(yīng)力，MPa；

r——距離裂紋尖端距離，mm。

2.2 天然巖石狀態(tài)

針對天然巖石試件，參考巖石力學(xué)參數(shù)對巖石斷裂進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，彈性模量E為70 GPa，μ為0.261，數(shù)值模擬采用單元類型為PLANE82，劃分網(wǎng)格，施加約束，取平均破壞荷載P為1552 N。取修正系數(shù)γ=1.5，各節(jié)點(diǎn)計算結(jié)果見表3。

2.3 模擬結(jié)果分析

表3 節(jié)點(diǎn)處計算結(jié)果

3 現(xiàn)場試驗

3.1 壓裂鉆孔布置

由于153303為堅硬頂板工作面，根據(jù)其實際情況，通常使用鉆孔為?58mm直徑的鉆頭對頂板打眼。依據(jù)鉆孔參數(shù)可將孔眼分為3種類型，分別為壓裂鉆孔-S，鉆孔長度為30m，傾角為30°；壓裂鉆孔-L，鉆孔長度為50m，傾角為10°；壓裂鉆孔-H，鉆孔長度為25m，傾角為45°。巷道水力壓裂鉆孔具體布置情況如圖1所示。

圖1 巷道水力壓裂鉆孔布置

鉆孔施工順序為先進(jìn)行壓裂鉆孔-L的鉆進(jìn)和壓裂作業(yè)，待壓裂鉆孔-L的壓裂工作全部結(jié)束后，再進(jìn)行壓裂鉆孔-S施工和壓裂作業(yè)，最后進(jìn)行壓裂鉆孔-H的鉆進(jìn)和壓裂工作。

工作面巷道鉆孔布置方式有3種，即水力壓裂鉆孔L、S、H，頂板鉆孔大致布置方式如圖1(a)所示；在工作面煤體上方頂板布置S和L孔，具體參數(shù)見圖1(b)、圖1(c)，其中S孔之間的間距為20m，L孔之間的間距為20m。H孔布置在距離煤柱約1m(可根據(jù)現(xiàn)場條件適當(dāng)調(diào)整)處，其參數(shù)見圖1(d)，鉆孔間距為15m。

其中，工作面巷道總計有L孔100個，S孔100個，H孔133個，總進(jìn)尺約為11325m。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測

153303工作面采取定向水力壓裂技術(shù)后，其初次來壓步距和周期來壓步距主要通過監(jiān)測工作面支架阻力來確定。選擇該工作面幾個代表性支架并安裝壓力記錄儀進(jìn)行工作阻力監(jiān)測記錄。根據(jù)工作面各個支架的循環(huán)末阻力曲線變化情況，得到各支架的初次來壓和周期來壓情況見表4。

表4 各支架初次來壓與周期來壓步距

由表4可知，153303工作面頂板采用定向水力壓裂技術(shù)后，沿工作面傾斜方向的初次來壓和周期來壓步距均發(fā)生不同程度的減小，其中初次來壓步距的最大值為40.1m，最小值為25.4m，平均值為33.2m。工作面推進(jìn)的112m距離中，數(shù)據(jù)顯示共發(fā)生7次周期來壓，其中來壓步距最小值為12.85m，最大值為14.31m，平均值為13.48m。初次來壓步距和周期來壓步距較以往分別減少了8.17m和13.72m。在工作面推進(jìn)過程中，可以監(jiān)測到工作面采空區(qū)頂板持續(xù)發(fā)生冒落，周期來壓時對工作面支架沖擊力較小，同時現(xiàn)場頂板監(jiān)測顯示，工作面端頭頂板懸頂面積較小，瓦斯?jié)舛容^低，均在安全范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

(1)古書院礦153303工作面頂板進(jìn)行定向水力壓裂技術(shù)后，通過ANSYS數(shù)值模擬分析計算，得知頂板巖石斷裂韌度降低，有利于堅硬頂板提前斷裂。

(2)對工作面巷道進(jìn)行水力壓裂鉆孔布置，根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果，沿153303工作面傾斜方向的初次來壓和周期來壓步距平均為33.2 m和13.48 m，初次來壓步距和周期來壓步距較之前工作面分別減少8.17 m和13.72 m。

(3)工作面采用頂板定向水力壓裂技術(shù)后，工作面采空區(qū)頂板持續(xù)發(fā)生冒落，端頭頂板懸頂面積較小，瓦斯?jié)舛容^低，均在安全范圍內(nèi)，提高了工作面頂板管理水平。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

Research on directional hydrofracture technology in handling mine hard roof

Huang Xiaopeng, Zhang Pengpeng, Yan Yaofei

(College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

To analyze the mechanism of directional hydrofracture technology applied to the hard roof of 153303 working face of Gushuyuan Coal Mine, the fracture toughness of loaded roof rock in saturated water or natural state was studied by ANSYS numerical analysis software, the results showed that under the influence of saturated water, the fracture toughness of roof rock decreased sharply, which could accelerate the fracture of hard roof in advance. Through field test, the average initial weighting step distance was 33.2 m, and the periodic weighting step distance was 13.48 m. The roof had been weakened in different degrees and could be safely caved in time, and the impact force to the supports was slight during periodic roof weighting. The results provided reliable evidence for its popularization.

hard roof, directional hydraulic fracturing, periodic weighting, numerical simulation

黃小朋，張鵬鵬，閆耀飛. 礦井堅硬頂板定向水力壓裂技術(shù)研究 [J]. 中國煤炭，2017,43(7)：55-57，80. Huang Xiaopeng, Zhang Pengpeng, Yan Yaofei. Research on directional hydrofracture technology in handling mine hard roof [J]. China Coal, 2017, 43(7):55-57，80.

TD32

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黃小朋(1989-)，男，河南永城人，采礦工程碩士在讀，從事礦山壓力研究等工作。