綜放工作面回撤通道水力壓裂切頂技術(shù)研究

孟偉

摘 要：為了解決回撤通道圍巖變形大的問(wèn)題，本文以斜溝礦為研究背景，以abaqus數(shù)值模擬軟件對(duì)巖石水力壓裂過(guò)程進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力差的增大，巖石內(nèi)部的應(yīng)力逐步增加，起裂需要的注水壓力降低，隨著壓裂段長(zhǎng)度的增大，巖石起裂需要的注液壓力逐步降低，同時(shí)經(jīng)過(guò)卸壓后回撤通道垛式支架支撐壓力明顯減小，維護(hù)了回撤通道穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;水力壓裂;回撤通道

1 前言

我國(guó)煤炭資源豐富但賦存條件較為復(fù)雜，我國(guó)煤層中有近四成開采存在堅(jiān)硬頂板問(wèn)題，堅(jiān)硬頂板是指在煤層的頂板或直接頂?shù)纳隙舜嬖谝粚佑捕雀叩膸r層，多由砂巖和礫巖等組成。堅(jiān)硬頂板在開采過(guò)程中難垮難落形成大面積的懸頂，懸頂一旦發(fā)生垮落將會(huì)造成工作面沖擊災(zāi)害，同時(shí)在沿空留巷留煤柱開采的巷道，大面積懸頂將會(huì)造成煤柱尺寸增大，造成能源的損害，同時(shí)在無(wú)煤柱開采的礦山，大面積懸頂造成巷道變形增大，巷道的維護(hù)成本加大，所以對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行預(yù)裂是十分必要的，此前韓軍軍[1]為了解決工作面頂板難垮難落的問(wèn)題，提出水力壓裂進(jìn)行卸壓，通過(guò)分析水力壓裂工藝流程及壓裂參數(shù)的步驟情況，為后期現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂卸壓施工提供技術(shù)參考。李宇[2]通過(guò)水力壓裂技術(shù)對(duì)綜采面的頂板進(jìn)行卸壓，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)弱化頂板消除了部分懸頂，有效的降低煤體應(yīng)力集中，降低了工作面及回撤通道的變形。本文以斜溝礦為研究背景對(duì)回撤工作面頂板進(jìn)行水力壓裂，通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)水力壓裂進(jìn)行研究，為后續(xù)工程實(shí)踐提供一定的參考。

2 水力壓裂研究

斜溝礦18502工作面采用綜合機(jī)采進(jìn)行開采，在其8#煤層工作面選用雙回撤通道回撤，主回撤通道采用錨桿錨索及液壓支架聯(lián)合支護(hù)，在初次支護(hù)錨桿錨索支護(hù)完畢后，利用鋼筋梯子及補(bǔ)打錨桿錨索進(jìn)行支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)在回撤通道與聯(lián)絡(luò)巷交匯位置布置液壓支架。但由于回撤通道受到工作面超前支撐壓力的作用，使得回撤通道的頂板受到較大的自重，造成通道的圍巖發(fā)生變形，所以需要對(duì)回撤巷道進(jìn)行水力壓裂卸壓。

水力壓裂技術(shù)是指在煤層頂板進(jìn)行縱向鉆孔，利用高壓水進(jìn)行鉆孔注水，達(dá)到壓裂頂板，在頂板形成人工裂縫，以此達(dá)到卸壓目的。為了對(duì)實(shí)踐壓裂提供一定參考，本文利用數(shù)值模擬對(duì)巖石的水力壓裂特性進(jìn)行研究，首先進(jìn)行模型構(gòu)建，由于斜溝礦回撤通道頂板屬于砂巖，所以建立砂巖模型，模型的彈性模量為10GPa，砂巖的內(nèi)摩擦角為28°，泊松比為0.23，粘聚力為9.5MPa，抗拉強(qiáng)度為4.0MPa，選用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型。

模型長(zhǎng)寬均為500mm，高度為3000mm，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分選用八節(jié)點(diǎn)線性劃分法，根據(jù)實(shí)際資料對(duì)模型進(jìn)行約束及邊界應(yīng)力的施加，在模型的中心位置進(jìn)行鉆孔并注水，提交作業(yè)進(jìn)行壓裂。模型示意圖如1所示。

首先對(duì)不同地應(yīng)力條件下水力壓裂進(jìn)行研究，鉆孔的直徑選定為56mm，壓裂段長(zhǎng)度為600mm，最小水平主應(yīng)力為6MPa，垂直應(yīng)力為10MPa。通過(guò)改變最大水平主應(yīng)力來(lái)改變應(yīng)力差，最大水平主應(yīng)力分別選擇8MPa、12MPa和18MPa。應(yīng)力云圖如2所示。

從圖2可以看出，在注液壓力一定的情況下，隨著水力壓裂最大水平應(yīng)力差的增大，巖石內(nèi)部的應(yīng)力分布出現(xiàn)逐步增大現(xiàn)象，且隨著應(yīng)力差的增大，巖石內(nèi)部應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置不會(huì)發(fā)生改變，均會(huì)出現(xiàn)在巖石的鉆孔中心位置，當(dāng)最大水平主應(yīng)力為8MPa，應(yīng)力差為2MPa時(shí)，此時(shí)的最大壓應(yīng)力為9.7MPa，當(dāng)最大水平主應(yīng)力為10MPa，應(yīng)力差為4MPa時(shí)，此時(shí)最大壓應(yīng)力增大至12.3MPa，較2MPa時(shí)增大了2.6MPa，當(dāng)最大水平主應(yīng)力為12MPa，應(yīng)力差為6MPa時(shí)，此時(shí)的最大拉應(yīng)力為17.2MPa，較2MPa時(shí)增加了6.5MPa，可以看出，在一定水壓的作用下，隨著應(yīng)力差的增大，巖石內(nèi)部的最大應(yīng)力值也在增大，反之為隨著應(yīng)力差的增大，巖石發(fā)生起裂時(shí)需要的注液壓力越低，壓裂越容易發(fā)生。這是由于隨著應(yīng)力差的增大，應(yīng)力差對(duì)巖石起裂的指引作用越強(qiáng)，裂縫起裂向著最小主應(yīng)力方向約容易發(fā)生，所以巖石起裂需要的注液壓力越低。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，巖石內(nèi)部的應(yīng)力分布呈現(xiàn)對(duì)稱分布，對(duì)稱軸為巖石的鉆孔中心軸線上。

對(duì)不同壓裂段長(zhǎng)度下巖石內(nèi)部應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，選定應(yīng)力差為6MPa進(jìn)行研究，鉆孔直徑保持56mm，壓裂段長(zhǎng)度為200mm、400mm和800mm。

通過(guò)觀測(cè)可知，當(dāng)壓裂段長(zhǎng)度為200mm，拉應(yīng)力在壓裂段的中心部位首先出現(xiàn)，隨著水壓的不斷增大拉應(yīng)力最大值逐步增大，當(dāng)水壓增大到12MPa時(shí)，此時(shí)壓裂段開采發(fā)生擴(kuò)展，出現(xiàn)裂縫，此時(shí)在壓裂段端頭位置出現(xiàn)最大值20.1MPa，當(dāng)壓裂段長(zhǎng)度為400mm時(shí)，由于壓裂段的長(zhǎng)度較大，在水壓達(dá)到11.3MPa時(shí)，鉆孔被完全貫通，此時(shí)的裂縫呈現(xiàn)直線型，此時(shí)的最大壓應(yīng)力為19.9MPa，當(dāng)壓裂段長(zhǎng)度增大至800mm時(shí)，此時(shí)的巖石的應(yīng)力分布圖與400mm時(shí)幾乎類似，在水壓增大至11.1MPa時(shí)，裂縫完全貫通，最大壓應(yīng)力為19.6MPa?？梢钥闯?，隨著壓裂段長(zhǎng)度的增大，巖石起裂需要的水壓逐步降低。所以在一定的應(yīng)力差下，增大壓裂段的長(zhǎng)度可有效的降低水壓。

3 水力壓裂卸壓前后對(duì)比分析

采用水力壓裂對(duì)頂板進(jìn)行卸壓，保證工作面能夠及時(shí)卸壓，及時(shí)冒落。對(duì)經(jīng)過(guò)水力壓裂卸壓前后垛式支架的應(yīng)力情況進(jìn)行研究，驗(yàn)證水力壓裂卸壓的可行性。從圖中可以看出，當(dāng)回撤通道距離工作面為50m后，卸壓前后垛式支架承受的支撐阻力類似，從數(shù)值上分析可知，卸壓前后支撐阻力值相差0.12MPa，所以可知應(yīng)力影響方位小于50m。當(dāng)回撤通道距離工作面距離15m時(shí)，此時(shí)經(jīng)過(guò)卸壓后，支撐阻力降低了0.5MPa，當(dāng)回撤通道距離工作面距離5m時(shí)，此時(shí)的支撐阻力降低了1MPa，所以經(jīng)過(guò)水力壓裂卸壓后，工作面頂板可及時(shí)冒落，回撤通道垛式支架的壓力有了明顯的減小，回撤巷道的礦壓顯現(xiàn)情況得到了一定的解決。

4 結(jié)論

①根據(jù)對(duì)應(yīng)力差對(duì)巖石水力壓裂的影響進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，隨著水平應(yīng)力差的增大，巖石壓裂段的壓應(yīng)力最大值逐步增大，巖石起裂需要的注液壓力逐步降低，且應(yīng)力分布呈現(xiàn)對(duì)稱性;②根據(jù)對(duì)壓裂段長(zhǎng)度對(duì)巖石水力壓裂的影響進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，隨著壓裂段長(zhǎng)度的增大，巖石起裂需要的注液壓力逐步降低，但壓裂段長(zhǎng)度增大到一定程度后，壓裂段長(zhǎng)度對(duì)巖石起裂的影響效果降低;③經(jīng)過(guò)對(duì)水力壓裂卸壓前后回撤通道垛式支架支撐壓力進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)水力壓裂卸壓后垛式支架支撐應(yīng)力的增加趨勢(shì)逐步降低，且應(yīng)力最大值有了明顯減小，卸壓效果明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓軍軍.煤礦水力壓裂切頂卸壓工藝分析[J].能源與節(jié)能，2019（12）：102-103.

[2]李宇.綜放工作面回撤通道水力壓裂切頂卸壓技術(shù)研究[J].同煤科技，2019（04）：21-23.