定向水力致裂對(duì)煤層頂板三向應(yīng)力的影響研究

高 厚，陳衛(wèi)忠，邢天海，鄭有雷，賈曉東，程文武

(1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061；4.兗州煤業(yè)股份有限公司 濟(jì)三煤礦，山東 濟(jì)寧 272000)

水力致裂技術(shù)最早應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域，以提高貧油井的產(chǎn)量，目前被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代石油工業(yè)、地?zé)豳Y源開發(fā)、核廢料儲(chǔ)存等領(lǐng)域，顯示出廣泛的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值[1]。水力致裂技術(shù)的實(shí)質(zhì)是在一段封閉的鉆孔內(nèi)注入高壓水，使孔壁附近產(chǎn)生大量裂紋，使巖體中原有裂紋張開和擴(kuò)展[2]。根據(jù)彈塑性理論，水力致裂裂縫能否形成以及裂縫擴(kuò)展方向取決于鉆孔周圍應(yīng)力場和巖體強(qiáng)度。為了降低裂縫形成難度以及控制裂縫擴(kuò)展方向，產(chǎn)生了定向水力致裂技術(shù)，其可以提前在巖體中形成定向裂縫。在煤炭開采領(lǐng)域，定向水力致裂技術(shù)已成為處理煤層堅(jiān)硬頂板和防治沖擊地壓的手段之一[3-9]。隨著煤炭資源開采深度和開采強(qiáng)度的增加，礦井沖擊地壓災(zāi)害日益加劇，嚴(yán)重威脅著井下人員及設(shè)備的安全[10，11]，而定向水力致裂技術(shù)可以改變煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)，從而預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生。

水力致裂技術(shù)破壞了鉆孔周邊巖體的整體性，改變了圍巖的力學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致了圍巖應(yīng)力重分布。付軍輝等[12]采用數(shù)值模擬軟件，研究了煤層水力致裂對(duì)采場礦壓的應(yīng)力擾動(dòng)過程。楊帆[13]利用物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究了水力致裂過程中裂縫周邊的應(yīng)力及其梯度變化規(guī)律。康紅普等[14]采用定向水力致裂對(duì)工作面頂板進(jìn)行弱化處理，監(jiān)測了水力致裂前后鉆孔附近煤層應(yīng)力的變化以及在工作面推進(jìn)過程中前方煤層應(yīng)力的變化，研究了應(yīng)力演化規(guī)律。但是，由于頂板巖層三向應(yīng)力現(xiàn)場測試流程較為復(fù)雜，目前關(guān)于水力致裂前后頂板巖層三向應(yīng)力變化的研究較少，水力致裂技術(shù)對(duì)頂板卸壓的效果缺少現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證。因此，本研究依托濟(jì)寧三號(hào)煤礦73下06工作面，現(xiàn)場開展了煤層頂板定向水力致裂試驗(yàn)，采用光纖光柵三向應(yīng)力傳感器監(jiān)測了水力致裂前后頂板巖層三向應(yīng)力，得到了巖層三向應(yīng)力的變化規(guī)律。本文研究成果可為堅(jiān)硬難垮頂板治理及沖擊地壓防治提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)采區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)選擇在濟(jì)寧三號(hào)煤礦73下06工作面。濟(jì)三煤礦是兗州煤業(yè)股份有限公司骨干礦井之一，位于山東省濟(jì)寧市，生產(chǎn)能力500萬t/a，其在引進(jìn)波蘭定向水力裝備的基礎(chǔ)上，開發(fā)了適合自身?xiàng)l件的深孔定向水力致裂防沖技術(shù)[15]。73下06工作面位于濟(jì)三煤礦七采區(qū)中部，是七采區(qū)3下煤層首采工作面，工作面長度為260m，推進(jìn)長度為1805m，平均埋深為825.48m。工作面兩回采巷道斷面形狀均為矩形，斷面尺寸為：凈寬×凈高=4.8m×3.8m。工作面布置如圖1所示。

圖1 73下06工作面布置圖

1.2 試驗(yàn)采區(qū)地質(zhì)條件

3下煤層煤厚0～6.10m，平均3.66m。73下06工作面煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。從表1可以看出，73下06工作面直接頂平均厚度為5.75m，基本頂平均厚度為9.94m。直接頂普氏硬度為2～8，基本頂普氏強(qiáng)度為6～10，基本頂局部厚度較大且?guī)r性堅(jiān)硬。

表1 煤層頂?shù)装鍫顩r表

1.3 定向水力致裂方案

根據(jù)工作面地質(zhì)情況和現(xiàn)有施工條件，確定頂板巖層定向水力致裂鉆孔布置如下：沿73下06輔助運(yùn)輸巷布置3個(gè)鉆孔S1、S2和S3，鉆孔直徑為48mm，長度為15m，開孔高度為3.8m，水平投影垂直于煤壁，鉆孔上仰60°。三個(gè)鉆孔S1、S2和S3分別距離開切眼處1446m、1461m、1476m，致裂鉆孔布置如圖2所示。

圖2 致裂鉆孔布置圖

1.4 定向水力致裂施工過程

在煤層頂板定向水力致裂現(xiàn)場試驗(yàn)中，致裂施工過程如下：

1)施工鉆孔：按照致裂鉆孔的布置參數(shù)，施工致裂鉆孔。

2)切割預(yù)制裂縫：鉆孔施工到15m之后，退出孔中所有鉆桿，將鉆頭換成刀具，然后緩慢、勻速地向孔底運(yùn)送刀具。在距離孔底0.5m時(shí)，改為低速推進(jìn)并慢慢加快轉(zhuǎn)速，待刀具到達(dá)孔底之后，開啟供水沖孔并保持低壓推進(jìn)、高速旋轉(zhuǎn)約2min進(jìn)行切縫，在垂直于鉆孔方向切出一個(gè)環(huán)形裂縫，環(huán)形裂縫距離孔底約10cm。

3)定向水力致裂煤層頂板：切割預(yù)制裂縫后，退出孔中鉆桿和刀具，將高壓水力致裂導(dǎo)管和封孔器傳至12m孔深位置處，其封孔參數(shù)見表2。封孔器采用BIMBAR-4型，最大膨脹尺寸為52mm，大氣狀態(tài)下最大工作壓力為30MPa，孔徑為48mm時(shí)最大工作壓力約為36MPa。隨后，連接截止閥、壓力表等控制和觀測設(shè)備，開泵供液，注入高壓水。注入高壓水時(shí)，壓力逐漸上升，使封孔器膨脹，防止高壓水從鉆孔流出。加壓過程中，壓力會(huì)突然下降，說明預(yù)制裂縫張開，此時(shí)要保壓注水，使裂縫繼續(xù)擴(kuò)張。致裂過程中，高壓管路中的壓力變化如圖3所示。從圖3中可以看出，在前3min范圍內(nèi)，致裂壓力急速上升；當(dāng)致裂時(shí)長約為3min時(shí)，致裂壓力達(dá)到最大值，為24～28MPa；隨后，致裂壓力迅速降低，表明裂縫開始張開并擴(kuò)展；致裂約12min之后，致裂壓力開始平穩(wěn)變化，在11MPa上下波動(dòng)；致裂時(shí)長為30min時(shí)，致裂過程結(jié)束。

4)退出孔中設(shè)備：致裂完成后，逐漸卸壓至零，拆除鉆孔內(nèi)專用導(dǎo)管和封孔器。

表2 封孔參數(shù)表

圖3 致裂壓力變化曲線

2 監(jiān)測方案的設(shè)定

2.1 監(jiān)測原理

由巖體力學(xué)理論可知，煤層頂板處三向應(yīng)力分為兩個(gè)部分：原巖應(yīng)力和擾動(dòng)應(yīng)力。原巖應(yīng)力也稱為初始應(yīng)力，是煤層開采、水力致裂等人類工程活動(dòng)發(fā)生之前就已經(jīng)存在于巖體中的應(yīng)力，主要由自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力組成，對(duì)于一個(gè)特定位置而言，其大小及方向均保持不變。擾動(dòng)應(yīng)力也可稱為相對(duì)應(yīng)力，是由采動(dòng)活動(dòng)、水力致裂等引起的應(yīng)力，受開采方式、工作面位置、致裂工藝等因素的影響，其大小和方向均隨著工程活動(dòng)而不斷變化。因此，頂板巖層三向真實(shí)應(yīng)力σij可用下式表示：

巖體的失穩(wěn)、變形及破壞等與巖體三向真實(shí)應(yīng)力有著緊密聯(lián)系，因此，監(jiān)測巖體三向真實(shí)應(yīng)力尤為重要。由式(1)可知，巖體三向真實(shí)應(yīng)力監(jiān)測可分為三步完成：第一步，測量巖體原巖應(yīng)力；第二步，監(jiān)測巖體擾動(dòng)應(yīng)力；最后，將兩者進(jìn)行疊加，計(jì)算巖體真實(shí)應(yīng)力。

2.2 監(jiān)測儀器

由于電阻應(yīng)變片式傳感器易受井下強(qiáng)電磁場干擾且長期穩(wěn)定性不佳，因此監(jiān)測儀器采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研發(fā)的光纖光柵三向應(yīng)力傳感器，其可以測量得到鉆孔孔壁應(yīng)變，由此計(jì)算得到巖體三向應(yīng)力。

光纖光柵三向應(yīng)力傳感器安裝過程簡述如下：①在監(jiān)測斷面施工直徑為130mm鉆孔，鉆孔深度不小于巷道半徑3～5倍；②在大孔底部施工直徑為38 mm小孔，小孔深度為30～50cm；③清潔小鉆孔，安裝傳感器；④進(jìn)行套芯應(yīng)力解除，測量原巖應(yīng)力；⑤繼續(xù)施工直徑為38mm小鉆孔，深度為30～50cm；⑥再次安裝傳感器，不再進(jìn)行應(yīng)力解除，監(jiān)測擾動(dòng)應(yīng)力。

2.3 監(jiān)測斷面布置

在73下06輔助運(yùn)輸巷布置一個(gè)監(jiān)測斷面，布置如下：在距開切眼1461m處，按照光纖光柵三向應(yīng)力傳感器安裝過程，施工一個(gè)監(jiān)測鉆孔，監(jiān)測鉆孔布置如圖4所示。首先進(jìn)行應(yīng)力解除測量原巖應(yīng)力，然后再次安裝傳感器進(jìn)行擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測，監(jiān)測鉆孔開孔高度為3m，水平投影垂直于煤壁，上仰30°，原巖應(yīng)力測試深度為13.4m，擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測深度為13.8m。

圖4 監(jiān)測鉆孔布置圖

3 監(jiān)測結(jié)果

3.1 原巖應(yīng)力

在主坐標(biāo)系下，測量得到的原巖應(yīng)力見表3。從表3中可以看出，三個(gè)主應(yīng)力均與水平面有一定的角度，說明頂板巖層受地質(zhì)構(gòu)造作用明顯。

表3 主坐標(biāo)系下的原巖應(yīng)力

注：應(yīng)力以壓為正，方位角北起順時(shí)針為正，傾角從水平面向上為正。

以73下06工作面為基礎(chǔ)，建立工作面坐標(biāo)系，如圖5所示，其中z軸為豎直方向，x軸為水平方向，平行于開采方向，y軸由右手準(zhǔn)則確定。在工作面坐標(biāo)系下，原巖應(yīng)力見表4。

圖5 工作面坐標(biāo)系

從表4中可以看出，水平應(yīng)力較大，x、y軸兩水平方向的側(cè)壓系數(shù)分別約為0.90、1.12。

表4 工作面坐標(biāo)系下的原巖應(yīng)力

注：正應(yīng)力以壓為正。

3.2 水力致裂后頂板巖層三向應(yīng)力變化

按照施工方案，對(duì)煤層頂板進(jìn)行定向水力致裂，分析致裂后的頂板巖層真實(shí)應(yīng)力和擾動(dòng)應(yīng)力。

主坐標(biāo)系下，監(jiān)測斷面處真實(shí)應(yīng)力見表5。

表5 主坐標(biāo)系下的真實(shí)應(yīng)力

注：應(yīng)力以壓為正，方位角北起順時(shí)針為正，傾角水平面向上為正。

從表5中可以看出，三個(gè)主應(yīng)力依然均為壓應(yīng)力。對(duì)比表5和表3可以發(fā)現(xiàn)，水力致裂之后，監(jiān)測斷面處三個(gè)主應(yīng)力分別降低了約20%、9%、11%，而主應(yīng)力的方位角與傾角變化很小。水力致裂能夠顯著降低或者轉(zhuǎn)移頂板巖層三向應(yīng)力，對(duì)致裂部位具有良好的卸壓效果。

工作面坐標(biāo)系下，監(jiān)測斷面處真實(shí)應(yīng)力見表6。從表6中可以看出，豎直方向正應(yīng)力較大，x、y軸兩水平方向的側(cè)壓系數(shù)分別約為0.93、0.90。

表6 工作面坐標(biāo)系下的真實(shí)應(yīng)力

注：正應(yīng)力以壓為正。

工作面坐標(biāo)系下，監(jiān)測斷面處擾動(dòng)應(yīng)力見表7。從表7中可以看出，監(jiān)測斷面處x、y、z方向的正應(yīng)力增量均為拉應(yīng)力，x、y、z方向正應(yīng)力分別減小了約6%、27%、9%，水平方向正應(yīng)力減小程度明顯大于豎直方向。

表7 工作面坐標(biāo)系下的擾動(dòng)應(yīng)力

注：正應(yīng)力以壓為正。

由于預(yù)制裂縫為垂直于鉆孔的環(huán)形裂縫，起始裂縫面為垂直于鉆孔軸線的環(huán)形面；同時(shí)，由于三個(gè)致裂孔沿x方向布置，結(jié)合現(xiàn)場觀測情況，推測最終致裂面的走向近似平行于x方向，傾角約為30°～40°。因?yàn)橹铝衙媸箮r層應(yīng)力得到不同程度的釋放或者轉(zhuǎn)移，從表7中可以看出，各應(yīng)力分量均有所減??；同時(shí)，因?yàn)橹铝衙娼破叫杏趚方向且與水平面有一定夾角，致裂對(duì)x方向影響最小，x方向正應(yīng)力降幅最小，而對(duì)y方向影響最大，y方向正應(yīng)力降幅最大。

從上述結(jié)果可以看出，水力致裂可以使致裂部位處巖層應(yīng)力顯著降低或者轉(zhuǎn)移，且各應(yīng)力分量的降幅受致裂面方位的影響。

4 結(jié) 論

1)濟(jì)寧三號(hào)煤礦73下06工作面頂板巖層中原巖應(yīng)力三個(gè)主應(yīng)力大小分別為31.79MPa、20.85MPa、16.57MPa，三個(gè)主應(yīng)力均與水平面有一定的角度，頂板巖層受地質(zhì)構(gòu)造作用明顯。

2)水力致裂之后，監(jiān)測斷面處頂板巖層三個(gè)主應(yīng)力的方位角和傾角變化很小，而三個(gè)主應(yīng)力均有所降低，最大降幅約為20%。水力致裂能夠顯著降低或者轉(zhuǎn)移頂板巖層三向應(yīng)力，對(duì)致裂部位具有良好的卸壓效果。

3)水力致裂對(duì)頂板巖層各應(yīng)力分量的影響程度不同，致裂部位處各應(yīng)力分量的降幅受致裂面方位的影響。研究成果進(jìn)一步驗(yàn)證了水力致裂的卸壓效果，可為現(xiàn)場水力致裂鉆布置提供參考，并為沖擊地壓防治研究提供重要依據(jù)。