賈志宇
晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 山西 大同 037000
隨著我國開采年限的不斷增加,我國煤炭覆存較為簡單的煤層開采已經(jīng)逐步完畢,開采重點(diǎn)朝著深部及覆存條件較為復(fù)雜的煤層轉(zhuǎn)移。據(jù)統(tǒng)計我國約有4成的礦井存在堅硬頂板的問題,堅硬頂板的存在使得工作面懸頂面積大幅度增大,懸頂極難發(fā)生垮落,造成懸頂?shù)氖Э?。同時大面積的選定會造成巷道圍巖變形過大,而對于留煤柱的礦井,大面積的懸頂會使得煤柱尺寸有所增大,降低礦井的經(jīng)濟(jì)效益,所以解決堅硬頂板問題成為了礦井重要的難題[1,2]。目前針對堅硬頂板的治理大多采用聚能爆破切頂,但爆破會造成環(huán)境污染,不符合綠色發(fā)展目標(biāo),所以提出水力壓裂切頂[3,4],目前針對水力壓裂切頂?shù)难芯枯^少,因此本文以鎮(zhèn)城底礦為研究背景,利用數(shù)值模擬軟件,對水力壓裂切頂卸壓參數(shù)進(jìn)行研究,旨在為后續(xù)水力壓裂方案設(shè)定提供一定的理論依據(jù)。
定向水力壓裂是指在頂板內(nèi)部預(yù)先進(jìn)行鉆孔,并在鉆孔內(nèi)部設(shè)定預(yù)裂縫,使之形成軟弱面,對鉆孔進(jìn)行封閉處理,完成鉆孔封閉后對鉆孔進(jìn)行注液,由于堅硬頂板巖層多為致密巖性,所以在鉆孔內(nèi)部由于注液時間的不斷增加,從而鉆孔內(nèi)部能量快速聚集,當(dāng)鉆孔內(nèi)部能量超過鉆孔預(yù)裂縫的抗拉強(qiáng)度時,此時鉆孔沿著預(yù)裂縫發(fā)生擴(kuò)展,從而形成連續(xù)裂縫,由于水力壓裂頂板使得頂板的完整性大打折扣,此時頂板會沿著裂縫發(fā)生垮落,達(dá)到隨采隨落的目的,保證巷道的穩(wěn)定性。
為了對水力壓裂不同參數(shù)下壓裂效果進(jìn)行分析,本文利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行建模分析,首先由于巷道頂板尺寸很大,不存在邊界問題,所以本文設(shè)定模型的尺寸為200mm×200m,在模型的中心開挖20mm的圓,并在圓在鉆孔半徑位置預(yù)制對稱裂縫,裂縫與最大水平應(yīng)力的夾角為預(yù)制裂縫角,對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,按照1mm×1mm的尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共計40000個網(wǎng)格,完成網(wǎng)格劃分后對模型應(yīng)力差進(jìn)行設(shè)定,最大水平主應(yīng)力設(shè)定為6MPa,通過改變最小水平完成應(yīng)力差的改變,對鉆孔內(nèi)部進(jìn)行水壓設(shè)定,初始水壓設(shè)定為2 MPa,水壓增量為0.5 MPa/步。模型的力學(xué)參數(shù)參照砂巖進(jìn)行設(shè)定。
模型建立完成,對模型進(jìn)行計算,如圖1所示為隨著時間變化巖石內(nèi)部變形云圖。
圖1 水力壓裂過程模擬云圖
從圖1中可以看出,隨著注液時間的不斷增加,鉆孔內(nèi)部裂縫的變形特征呈現(xiàn)不同態(tài)勢。裂縫擴(kuò)展大致可以分為三個階段,能量累計階段,在此階段內(nèi)鉆孔內(nèi)部的能量快速聚集,此時裂縫尖端的應(yīng)力快速增站,但裂縫并未發(fā)生擴(kuò)展。鉆孔起裂階段,在此階段內(nèi)鉆孔內(nèi)部的能量聚集超過鉆孔裂縫的抗拉強(qiáng)度,此時裂縫出現(xiàn)起裂,起裂位置沿著鉆孔預(yù)制裂縫尖端。裂縫擴(kuò)展階段,在此階段內(nèi),隨著注液時間的不斷增加,此時鉆孔裂縫沿著裂縫尖端不斷擴(kuò)展,擴(kuò)展呈現(xiàn)對稱分布特征,裂縫沿著尖端起裂后會迅速發(fā)生偏轉(zhuǎn),并沿著最大水平主應(yīng)力方向發(fā)生擴(kuò)展,這是由于裂縫起裂后受到應(yīng)力差的作用,使得裂縫快速偏轉(zhuǎn),同時由于沿著最大水平主應(yīng)力方向限制裂縫張開的作用力較小,所以裂縫沿著此方向發(fā)生擴(kuò)展。
同時觀察應(yīng)力變化可以看出,在巖石未發(fā)生起裂時,此時應(yīng)力值較高,但當(dāng)巖石完成起裂后巖石的應(yīng)力值會迅速下降,下降后幾乎不發(fā)生大的變化,僅會出現(xiàn)微小的波動,這是由于巖石水力壓裂為瞬間過程,能量在鉆孔起裂瞬間完成釋放,所以應(yīng)力值快速下降。同時可以明顯看出巖石的水力壓裂應(yīng)力曲線大致為單峰形,即隨著注液時間的增大,壓力值先快速增大后迅速下降,逐步達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。
對不同水平應(yīng)力差下的裂縫寬度進(jìn)行分析,選定水平應(yīng)力差2MPa、3MPa、4MPa、5MPa進(jìn)行研究,繪制不同水平應(yīng)力差下裂縫張開度曲線如圖2所示。
圖2 不同水平應(yīng)力差下裂縫張開度曲線
從圖2可以看出,隨著水平應(yīng)力差的增大,裂縫張開度呈現(xiàn)逐步減小的趨勢,當(dāng)水平應(yīng)力差為2MPa時,此時裂縫張開度為0.15mm,當(dāng)水平應(yīng)力差3MPa時,此時裂縫張開度為0.13mm,較水平應(yīng)力差2MPa時下降了0.02mm,當(dāng)水平應(yīng)力差4MPa時,此時裂縫張開度為0.115mm,較水平應(yīng)力差2MPa時下降了0.035mm,當(dāng)水平應(yīng)力差5MPa時,此時裂縫張開度為0.11mm,較水平應(yīng)力差2MPa時下降了0.04mm。可以看出降低的趨勢逐步減弱,水平應(yīng)力差越大裂縫的張開度逐步減小,這是由于隨著應(yīng)力差的增大,巖石發(fā)生起裂需要的能量越小,裂縫起裂瞬間釋放能量較小,使得鉆孔裂縫的張開度也就越小。
對不同水平應(yīng)力差下的裂縫起裂偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行分析,起裂偏轉(zhuǎn)角是指起裂裂縫與預(yù)制裂縫的夾角。同樣選定水平應(yīng)力差2MPa、3MPa、4MPa、5MPa進(jìn)行研究,繪制不同水平應(yīng)力差下裂縫偏轉(zhuǎn)角變化曲線如圖3所示。
圖3 不同水平應(yīng)力差下裂縫偏轉(zhuǎn)角變化曲線
從圖3可以看出,隨著水平應(yīng)力差的增大,裂縫起裂偏轉(zhuǎn)角呈現(xiàn)逐步增大的趨勢,當(dāng)水平應(yīng)力差為2MPa時,此時裂縫偏轉(zhuǎn)角為5.2°,當(dāng)水平應(yīng)力差3MPa時,此時裂縫張開度為10.3°,較水平應(yīng)力差2MPa時增加了5.1°,當(dāng)水平應(yīng)力差4MPa時,此時起裂偏轉(zhuǎn)角為16.6°,較水平應(yīng)力差2MPa時增加了11.5°,當(dāng)水平應(yīng)力差5MPa時,此時裂縫偏轉(zhuǎn)角為23.6°,較水平應(yīng)力差2MPa時增加了18.5°??梢钥闯鲭S著水平應(yīng)力差的增大,巖石起裂瞬間裂縫偏轉(zhuǎn)角呈現(xiàn)逐步增大的趨勢。當(dāng)水平應(yīng)力差越大,此時巖石起裂瞬間受到應(yīng)力差的控制效果也就越強(qiáng),最大水平主應(yīng)力對裂縫起裂控制越強(qiáng),起裂偏轉(zhuǎn)角越就越大。
(1)根據(jù)鉆孔內(nèi)部裂縫的變形特征,將水力壓裂下裂縫擴(kuò)展分為三個階段,分別為能量累計階段、鉆孔起裂階段、裂縫擴(kuò)展階段,伴隨著三個階段,裂縫先起裂后向著最大水平主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
(2)通過對不同水平應(yīng)力差下裂縫張開度進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)隨著水平應(yīng)力差的增大,裂縫張開度呈現(xiàn)逐步減小的趨勢,減小的趨勢隨著水平應(yīng)力差的增大逐步降低。
(3)通過對不同水平應(yīng)力差下裂縫偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),隨著水平應(yīng)力差的增大,裂縫起裂偏轉(zhuǎn)角呈現(xiàn)逐步增大的趨勢。