基于FLAC數值模擬的堅硬頂板水壓致裂方案優(yōu)化研究

楊永剛

（同煤集團同家梁礦，山西 大同 037003）

大同礦區(qū)同家梁礦開采過程中，堅硬頂板的賦存增加了開采難度，易引發(fā)強烈礦壓顯現(xiàn)或沖擊地壓。傳統(tǒng)的堅硬頂板弱化，采用炸藥進行爆破。在高瓦斯礦井進行預裂爆破，易引起瓦斯爆炸。水壓致裂技術是通過高壓注水致裂頂板，避免了瓦斯爆炸危險[1-4]。本文以大同礦區(qū)同家梁礦為研究背景，對現(xiàn)有水壓致裂方案進行優(yōu)化，采用數值模擬方法對卸壓效果進行分析，為工作面頂板有效致裂提供指導，減輕堅硬頂板垮落對工作面開采的影響。

1 現(xiàn)有水壓致裂施工概況

在同家梁礦8104工作面5104巷采位35～165m布置水力致裂孔8個，孔深31～39m，終孔位置為3～5#煤層上9m，鉆孔方向為8104工作面采空區(qū)。致裂壓力一般為10MPa，時間10min左右，基本致裂成功。5104巷采位460～1640m布置水力致裂孔120個，水力致裂孔兩個為一組，開孔位置為5104巷頂板距采煤側幫1m處，同一組孔兩孔開孔位置相距5m，兩組孔間距20m。終孔位置為3～5#煤層頂板向上10～11m處，巖性為粗砂巖、中砂巖。此外，8104工作面在頂抽巷距工作面切眼200～1560m處施工水力致裂孔59個，S1孔深40.5～42m，S2孔深30.5～32.5m，設計孔間距20m，鉆孔方向為8105工作面與8104工作面煤柱上方，孔垂高4.6～12.5m，孔徑Φ50mm，時間15min左右。其中有4個孔因塌孔未致裂，7個孔在鄰孔致裂時貫通，其余均致裂成功。

根據工作面及回采巷道布置形式，采用在工作面頂抽巷內向鄰近采空區(qū)打水壓致裂孔切斷相鄰工作面頂板。利用現(xiàn)有巷道，水壓致裂切頂在8104工作面頂抽巷內進行，在頂抽巷內沿工作面推進方向間隔20m布置致裂鉆孔(圖1)。采用水壓致裂，切斷相鄰8105工作面的頂板，使其在煤柱上形成的懸梁頂板結構發(fā)生斷裂，緩解煤柱受力，保證5104巷圍巖穩(wěn)定。

圖1 水壓致裂鉆孔布置示意圖

2 水壓致裂方案設計

在現(xiàn)有實施方案的基礎上，提出了兩種改進的方案?，F(xiàn)有實施方案為方案一，兩種改進的方案分別為方案二和方案三，其中，方案一長短孔交錯布置，長孔長度為41m，傾角為13°，短孔長度為31.5m，傾角為17°，長短孔間距為20m；方案二將致裂孔終孔位置向8105采空區(qū)平移10m，方案三將致裂孔終孔位置向8105采空區(qū)平移16m，此時致裂面位于8105采空區(qū)邊緣。為了明確各個方案的實施效果，采用FLAC3D數值模擬軟件對這三種方案進行計算機數值模擬。

3 水壓致裂圍巖卸壓效果分析

3.1 數值模型建立

依據8104與8105工作面的相互位置關系，利用FLAC3D軟件建立數值計算模型，通過對煤柱及巷道圍巖的應力和破壞情況進行分析，研究不同水壓致裂方案的卸壓效果。水壓致裂產生的裂隙面采用對裂隙面周圍巖體弱化來進行處理，裂隙面的強度為巖體的1/10。水壓致裂過程進行了簡化處理，采用對一定厚度弱化的巖體來模擬水壓致裂產生的裂隙面。模型長×寬×高=350×20×166m。各煤巖層力學參數見表1。

載荷條件：結合該礦地應力測量結果及模擬工作面布置方位，經過計算可以確定在模型X軸方向施加21.2～16.5MPa的梯度應力；模型Y軸方向施加6.5～5.1MPa的梯度應力；模型上部施加11.3MPa的等效載荷，Z軸方向設定自重載荷。

表1 煤巖層力學參數

3.2 水壓致裂數值模擬分析

圖2為不同水壓致裂方案的垂直應力分布情況。從應力分布情況來看，與未采取水壓致裂相比，各方案在兩裂隙面周圍一定區(qū)域的應力卸壓區(qū)，并且在裂隙面的兩端都產生了一定的應力集中現(xiàn)象，其中方案一裂隙面兩端應力集中程度較小，方案二和方案三裂隙面兩端應力集中明顯。煤柱的應力集中程度由大到小依次為：未采取水壓致裂措施、方案一、方案二和方案三。隨著裂隙面接近8105采空區(qū)，煤柱的應力集中程度逐漸減小，卸壓效果越明顯。

圖2 不同水壓致裂條件下圍巖垂直應力分布

圖3為各個水壓致裂方案煤柱應力對比曲線，由圖可知方案一的煤柱應力與未采取水壓致裂的煤柱應力略微降低，無水壓致裂時的巷道側應力峰值為34.8MPa，而方案一的巷道側應力峰值為34.5MPa，僅降低了0.3MPa；方案二巷道側應力峰值為32.7MPa，降低了2.1MPa；方案三巷道側應力峰值為28.2MPa，降低了6.6MPa；方案二和方案三卸壓效果相對較為明顯，其中方案三巷道側應力峰值降低了6.6MPa，降低了18.9%，卸壓效果最好。

圖4為不同水壓致裂方案的彈塑性區(qū)分布情況。未采取水壓致裂時，煤柱采空區(qū)側的塑性區(qū)寬度為16m；方案一，僅在裂隙面處產生了塑性破壞，煤柱采空區(qū)側的塑性區(qū)寬度為16m；方案二，裂隙面產生的塑性區(qū)與采空區(qū)塑性區(qū)部分聯(lián)通，并且在兩裂隙面之間也產生了一定的破壞，煤柱采空區(qū)側的塑性區(qū)寬度為16m；方案三，裂隙面產生的塑性區(qū)與采空區(qū)塑性區(qū)全部聯(lián)通，并且在兩裂隙面之間也產生了一定的破壞，破壞范圍大于方案二，煤柱采空區(qū)側的塑性區(qū)寬度減小為14m。通過上述分析可知，方案三最大程度地破壞了堅硬頂板的整體性，煤柱的破壞范圍減小，減輕了堅硬頂板懸頂對煤柱的影響。

圖4 不同水壓致裂條件下圍巖垂直應力分布

綜上所述，從煤柱的應力和彈塑性區(qū)分析可知，方案三最大程度地破壞了堅硬頂板的整體性，煤柱的塑性區(qū)由原來的18m減小到了16m，煤柱的應力整體得到釋放，煤柱巷道側的應力峰值由34.8MPa降低到28.2MPa，降低了18.9%。因此，從數值模擬結果分析可知，對現(xiàn)有水力壓裂方案進行改進，將終孔位置向采礦區(qū)側平移16m，可將采空區(qū)懸頂切斷，改善煤柱受力狀態(tài)，保證沿空巷道穩(wěn)定。

4 結論

（1）基于現(xiàn)有水力壓裂方案，對壓力參數進行了優(yōu)化設計，設計了3種壓裂方案。

（2）方案三最大程度地破壞了堅硬頂板的整體性，煤柱的塑性區(qū)由原來的18m減小到了16m，煤柱的應力整體得到釋放，煤柱巷道側的應力峰值降低了18.9%。

（3）對現(xiàn)有水力壓裂方案進行改進，將終孔位置向采礦區(qū)側平移16m，可將采空區(qū)懸頂切斷，改善煤柱受力狀態(tài)，保證沿空巷道穩(wěn)定，減少巷道二次維護費用，提高礦井經濟效益。