水力壓裂對沿空留巷的泄壓效應(yīng)研究

戎冬冬，華明國

(潞安集團 余吾煤業(yè)公司，山西 長治 046103)

瓦斯抽采是煤礦利用瓦斯資源及防治瓦斯災(zāi)害的根本方法，而對于低滲透性煤層，常規(guī)的鉆孔抽采方法效果不佳，必須采取增透措施[1-3]。水力壓裂是卸壓增透的主要技術(shù)之一[4]，國內(nèi)外很多學(xué)者都對水力壓裂技術(shù)進行了研究。馬耕等[5]采用水力壓裂試驗系統(tǒng)，進行了水力壓裂物理模擬試驗，借助煤巖斷面三維掃描系統(tǒng)、位移計提取了水力裂縫信息，研究了地應(yīng)力對破裂壓力和水力裂縫影響；林柏泉等[6-7]采用理論分析和現(xiàn)場試驗的方法，研究了脈動壓力在裂隙中的傳播規(guī)律以及卸壓增透效果，獲得了水力壓裂過程中裂隙起裂及擴展過程的動態(tài)變化特征；張小東等[8]采用數(shù)值分析的方法探討了研究區(qū)煤層氣井水力壓裂后的裂縫形態(tài)與裂縫展布規(guī)律，提出了研究區(qū)煤層氣井壓裂過程中的綜合濾失系數(shù)計算方法。但上述大多都是研究水力壓裂后裂隙擴展規(guī)律，而實際上水力壓裂卸壓是通過向頂板注入高壓水，使頂板局部巖層裂隙張開，甚至形成新的裂隙，使這部分巖體的力學(xué)屬性發(fā)生顯著改變，造成老頂巖層屬性的非均勻分布[9]。在回采過程中，利用老頂巖層屬性的非均勻分布來改變煤柱的應(yīng)力分布特征[10-13]。采用這種技術(shù)措施后，通過有效降低強烈采動巷道周圍的煤壁應(yīng)力，達到減少巷道變形，降低維護成本，增加其安全性的目的[14-16]。本文采用數(shù)值模擬的方法揭示水力壓裂對沿空留巷的泄壓效應(yīng)規(guī)律，為回采巷道圍巖采用水力壓裂泄壓的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 水力壓裂對圍巖應(yīng)力分布影響數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模型建立

為了研究老頂水力壓裂對煤層應(yīng)力分布的影響，以潞安集團余吾煤礦的地質(zhì)和開采技術(shù)條件為基礎(chǔ)，建立了三維模型，模型尺寸為220 m(寬：平行工作面方向)×300 m(長：沿回采方向)×95 m(高)，如圖1所示。

圖1 工作面開采三維模型

模型平面布置如圖2所示。其中沿模型寬度方向包括如下幾部分：工作面長100 m，巷道寬5 m，煤柱30 m，工作面前方80 m。模型四個側(cè)面和底面均為固定位移邊界條件，模型頂面邊界為應(yīng)力邊界條件。模型長度方向包括頂板未壓裂區(qū)域170 m，頂板壓裂區(qū)域120 m。

圖2 模型平面

為了更好地展現(xiàn)模擬結(jié)果，同時采用平面應(yīng)變模型進行了平行研究和對比[17]。經(jīng)對照后發(fā)現(xiàn)，三維模擬的結(jié)果與二維模型吻合度很高，因此采用二維模型進行了拓展研究。二維平面應(yīng)變模型如圖3所示。二維平面應(yīng)變模型在寬度和高度上與三維模型完全一致。

圖3 二維平面應(yīng)變模型

1.2 參數(shù)設(shè)置

本文所建立的數(shù)值模型涉及巖層范圍大，主要從宏觀角度考察工作面的應(yīng)力再分配特征，因此模型所劃分的單元網(wǎng)格比較大，頂板和底板巖層屬性無法全部按照細分層屬性分配，部分巖層采用按厚度折算力學(xué)的參數(shù)，該參數(shù)代表頂板和底板巖層的平均屬性。按照圖3給出的巖層柱狀，總結(jié)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)以及公開的類似巖層測試資料，確定巖層和節(jié)理屬性如表1和表2所示。

表1 巖層屬性參數(shù)

1.3 模擬方案

三維模擬主要是為了揭示頂板壓裂區(qū)域?qū)γ簩討?yīng)力分布造成的影響。在三維模型中，頂板壓裂范圍的橫向截面(沿工作面方向)和縱向截面(沿開采推進方向)分別如圖4和圖5所示。按照現(xiàn)場采用的壓裂方法和經(jīng)驗估算，壓裂影響范圍寬度按20 m計算，壓裂設(shè)計高度為19 m，對壓裂區(qū)域內(nèi)巖層的彈性模量和強度參數(shù)進行了折減，研究局部巖層屬性改變對回采應(yīng)力的作用效果。

圖4 頂板壓裂范圍橫截面

二維平面應(yīng)變模型包括三個子模型：正常開采模型，頂板壓裂寬度20 m，頂板壓裂寬度30 m(等于煤柱寬度)。如圖6所示。

圖5 頂板壓裂范圍縱向截面

圖6 頂板壓裂模型

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 水力壓裂對巷道應(yīng)力狀態(tài)影響的三維模擬結(jié)果

當(dāng)工作面回采后，三維模型得到的煤層應(yīng)力分布如圖7所示。從圖7可以看出，水力壓裂區(qū)域煤柱區(qū)域應(yīng)力分布與未壓裂區(qū)域有比較明顯的差異，主要表現(xiàn)為：在水力壓裂段，煤柱中心的高應(yīng)力區(qū)范圍比較窄，而未壓裂段的高應(yīng)力區(qū)比較寬。其中煤柱高應(yīng)力區(qū)最寬的區(qū)域大約位于水力壓裂起始線后方60 m，超過60 m的未壓裂區(qū)，煤柱高應(yīng)力區(qū)略微收窄。為了更清楚地比較頂板壓裂對煤層應(yīng)力分布(特別是煤柱)的影響，在圖7中用黑色直線畫出了三條應(yīng)力監(jiān)測線，對三條監(jiān)測線上的應(yīng)力進行取樣，繪制成折線圖。其中取樣線1表示為進行壓裂的正常開采條件；取樣線2表示緊跟在壓裂區(qū)域后方的未壓裂區(qū)域；取樣線3表示壓裂區(qū)域。

圖7 鄰近工作面采后煤層應(yīng)力分布

三條取樣線的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。由于本研究重點考慮的是應(yīng)力分布變化對巷道安全性的影響，為此進一步縮小了應(yīng)力對比的范圍。圖9給出了巷道兩側(cè)60 m范圍內(nèi)的煤體應(yīng)力分布。

圖8 煤層應(yīng)力分布曲線

圖9 巷道兩側(cè)煤層應(yīng)力分布曲線

從圖7可以看到，除了煤柱中間區(qū)域，不同取樣線的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果相差很小。這說明頂板水力壓裂泄壓措施的確可以影響煤層應(yīng)力分布，但其影響范圍是局部性的。從圖9可以更清楚的看到，取樣線3所在的頂板壓裂區(qū)域，煤柱中間應(yīng)力有明顯的降低；取樣線1和取樣線2均處于未壓裂區(qū)域，但取樣線2所處位置臨近頂板壓裂區(qū)域，所以取樣線2對應(yīng)的煤柱中間應(yīng)力要略高于取樣線1處。根據(jù)上述模擬結(jié)果，可以得到初步結(jié)論：

1) 老頂形成的壓裂區(qū)域?qū)γ簩討?yīng)力分布有比較明顯的影響。

2) 頂板壓裂區(qū)的煤柱中間受力明顯降低，對保持留巷的安全性有利。這說明合理使用水力壓裂技術(shù)可以達到改善留巷安全性的目的。

3) 緊臨壓裂區(qū)域的后方煤柱應(yīng)力出現(xiàn)略微的升高，對保持留巷的安全性不利。這意味著在選擇壓裂區(qū)域的起始位置以及壓裂區(qū)域的設(shè)計上，應(yīng)當(dāng)充分考慮現(xiàn)場的生產(chǎn)條件，避免在地質(zhì)條件較差的區(qū)域開始實施壓裂技術(shù)，這會導(dǎo)致該區(qū)域的安全條件更加惡化。

2.2 壓裂對留巷應(yīng)力狀態(tài)影響的二維模擬

2.2.1 垂直應(yīng)力分布結(jié)果與分析

圖10給出了二維平面應(yīng)變模型得到的模擬結(jié)果，從整體上看與三維模型得到模擬結(jié)果非常接近。但由于二維模型在單元劃分上更為精細，所以其呈現(xiàn)的曲線更加光滑。

圖10 煤層垂直應(yīng)力分布

從圖10看到，不同頂板處理條件下，煤柱中心部分的應(yīng)力展現(xiàn)出了明顯差異。未壓裂區(qū)域的煤柱應(yīng)力最大；頂板壓裂范圍20 m時，煤柱中心應(yīng)力明顯下降；頂板壓裂范圍30 m時，煤柱中心應(yīng)力有更大幅度的下降。三種情況下，比較采空區(qū)的平均應(yīng)力可知，采用頂板壓裂措施能夠?qū)е旅褐鶓?yīng)力轉(zhuǎn)移。

圖11給出了留巷兩側(cè)煤層應(yīng)力分布。三種情況下，留巷左側(cè)煤柱平均應(yīng)力分別呈現(xiàn)：未壓裂區(qū)域，煤柱平均應(yīng)力27.2 MPa；壓裂范圍20 m，煤柱平均應(yīng)力26.8 MPa；壓裂范圍30 m時，煤柱平均應(yīng)力26.5 MPa。這說明頂板壓裂區(qū)域?qū)γ褐鶓?yīng)力分布有明顯的影響，并且隨著壓裂范圍的增加煤柱上承擔(dān)的壓力逐漸減少。

2.2.2 塑性區(qū)分布結(jié)果與分析

圖12-14分別給出了三種情況下，留巷兩側(cè)煤層的塑性區(qū)狀況。三種情況下，留巷兩側(cè)的塑性區(qū)發(fā)生了顯著的變化。

圖12 留巷兩側(cè)塑性區(qū)分布(未壓裂區(qū))

圖13 留巷兩側(cè)塑性區(qū)分布(壓裂范圍20 m)

圖14 留巷兩側(cè)塑性區(qū)分布(壓裂范圍30 m)

未壓裂時的塑性區(qū)分布與壓裂20 m時的塑性區(qū)分布主要差別在于：頂板壓裂導(dǎo)致煤柱中心塑性區(qū)明顯減少，留巷外側(cè)實體煤中的塑性區(qū)有所增加。這說明壓裂頂板導(dǎo)致垂直應(yīng)力從煤柱向留巷外側(cè)實體煤方向轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致煤柱塑性區(qū)減少，留巷外側(cè)塑性區(qū)有所擴大。結(jié)合應(yīng)力分析結(jié)果來看，在煤柱上方壓裂頂板壓裂20 m時，將致使煤柱應(yīng)力減少，減少的載荷部分由采空區(qū)承擔(dān)，部分轉(zhuǎn)移至留巷外側(cè)的實體煤部分。

未壓裂時的塑性區(qū)分布與壓裂30 m時的塑性區(qū)分布主要差別在于：頂板壓裂導(dǎo)致煤柱中心塑性區(qū)明顯減少，留巷靠近煤柱一側(cè)塑性區(qū)明顯減少。這說明頂板壓裂長度增加后，煤柱上的應(yīng)力進一步得到降低，應(yīng)力變化區(qū)蔓延到留巷圍巖附近，影響到了圍巖的塑性區(qū)。結(jié)合應(yīng)力分析結(jié)果來看，在煤柱上方壓裂頂板壓裂30 m時，將導(dǎo)致煤柱應(yīng)力進一步減少，減少的載荷部分由采空區(qū)承擔(dān)，部分轉(zhuǎn)移至留巷外側(cè)的實體煤部分。

壓裂20 m時的塑性區(qū)分布與壓裂30 m時的塑性區(qū)分布主要差別在于：壓裂范圍從20 m增加到30 m后，煤柱的塑性區(qū)減少幅度更大，特別是減少了留巷兩側(cè)附近的塑性區(qū)，這樣的結(jié)果對保證留巷安全條件非常有利。這說明增加煤柱上方的壓裂范圍，能夠進一步增強應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果，同時能夠在應(yīng)力轉(zhuǎn)移過程中避免留巷附近產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.2.3 沿空留巷圍巖位移結(jié)果與分析

圖15-17分別給出了三種情況下，巷道圍巖位移分布情況。在未壓裂頂板的情況下，工作面回采后，留巷的最大位移為108.6 mm；在煤柱上方壓裂頂板壓裂20 m時，留巷的最大位移為103.5 mm；在煤柱上方壓裂頂板壓裂30 m時，留巷的最大位移為101.3 mm。

圖15 留巷圍巖位移分布(未壓裂區(qū))

圖16 留巷圍巖位移分布(壓裂范圍20 m)

圖17 留巷圍巖位移分布(壓裂范圍30 m)

3 結(jié) 語

1) 卸壓下數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，老頂形成的壓裂區(qū)域?qū)γ簩討?yīng)力分布有比較明顯的影響。對煤層頂板采用水力壓裂進行泄壓之后，將對煤巖層采動應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，壓裂區(qū)域周圍煤巖體采動應(yīng)力將重新分布。

2) 合理使用水力壓裂技術(shù)，頂板壓裂區(qū)的煤柱中間受力明顯降低，緊臨壓裂區(qū)域的后方煤柱應(yīng)力出現(xiàn)略微的升高，對保持留巷的安全條件不利。這意味著在選擇壓裂區(qū)域的起始位置以及壓裂區(qū)域的設(shè)計上，應(yīng)當(dāng)充分考慮現(xiàn)場的生產(chǎn)條件，避免在地質(zhì)條件較差的區(qū)域開始實施壓裂技術(shù)，這可能局部惡化該區(qū)域安全條件，因此需要謹(jǐn)慎選擇頂板壓裂區(qū)的開始位置。

3) 頂板壓裂范圍對應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果有明顯的影響，增加頂板壓裂寬度，能夠增強應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果。具體設(shè)計參數(shù)需要根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)條件決定。在煤柱上方壓裂頂板范圍達到煤柱寬度時，能夠顯著降低煤柱的載荷，減小留巷圍巖的塑性破壞區(qū)范圍大小，降低圍巖位移。