馬蘭礦水力壓裂堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)的研究

郭洪明

山西焦煤西山煤電馬蘭礦 山西 太原 030200

1 前言

我國(guó)煤炭雖然儲(chǔ)量豐富但賦存條件較為復(fù)雜，近四成的煤層存在堅(jiān)硬頂板。堅(jiān)硬頂板是指煤層上方直接賦存或在厚度較薄的直接頂上方存在的堅(jiān)硬巖層，其主要特點(diǎn)為硬度大、整體性好、分層厚度大等。堅(jiān)硬頂板的存在會(huì)對(duì)礦山的開(kāi)采造成嚴(yán)重的影響。由于堅(jiān)硬頂板極難垮落，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，巷道頂板形成大面積的懸頂，懸頂一旦垮落會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊載荷，造成采空區(qū)的瓦斯涌出，發(fā)生瓦斯爆炸事故。對(duì)于留煤柱開(kāi)采的礦山，大面積的懸頂使得護(hù)巷煤柱的尺寸增大，降低了煤礦的出煤率[1，2]，同時(shí)護(hù)巷煤柱的尺寸過(guò)大會(huì)造成沖擊地壓災(zāi)害。在無(wú)煤柱開(kāi)采的沿空掘巷、沿空留巷，大面積的懸頂造成巷道的變形增大[3，4]，使得巷道的維護(hù)成本增加。所以堅(jiān)硬頂板的治理對(duì)于煤礦開(kāi)采至關(guān)重要。本文以馬蘭礦18507工作面為研究背景，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)砂巖定向水力壓裂進(jìn)行一定的研究，給出壓裂參數(shù)對(duì)壓裂效果的影響，為堅(jiān)硬頂板的治理提供一定的參考。

2 數(shù)值模擬準(zhǔn)備

馬蘭礦位于山西古交西南15km，井田面積為104.4km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力400萬(wàn)噸/年，8號(hào)煤層的 18507工作面進(jìn)行開(kāi)切眼布置時(shí)，由于頂板巖性為砂巖等堅(jiān)硬巖性，造成工作面覆巖出現(xiàn)大面積的懸頂，因此本文為了解決堅(jiān)硬頂板難垮難落的問(wèn)題，選定以砂巖為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

本文選定abaqus數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，首先進(jìn)行數(shù)值模擬件建立，在進(jìn)行設(shè)置模擬建立，模型的幾何尺寸設(shè)定為300mm*300mm，在模型的中心切削出直徑為25mm的圓，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分時(shí)充分考慮電腦的運(yùn)行速度及模擬結(jié)果的精確性，選定四邊形網(wǎng)格劃分法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，完成網(wǎng)格劃分后對(duì)模型進(jìn)行物理參數(shù)設(shè)定，具體設(shè)定情況如下：預(yù)制角度: 60°，彈性模量：1.5E+10，泊松比：0.25，注液速度：40mL/min，最大主應(yīng)力：7MPa 最小主應(yīng)力3MPa，流體泄露頂?shù)紫禂?shù)均設(shè)定為-1E-012，損傷粘性系數(shù)設(shè)定為0.0001，間隙流粘性0.001，滲透性K設(shè)定為1E-006，0.1。完成物理參數(shù)設(shè)定后對(duì)模型的邊界進(jìn)行約束，在模型四周施加固定約束，防止模型移動(dòng)。完成模型設(shè)定后開(kāi)始計(jì)算。

3 數(shù)值模擬研究

首先對(duì)不同應(yīng)力差下，砂巖的起裂壓力進(jìn)行研究，不同應(yīng)力差環(huán)境選定2MPa、3MPa、4MPa和5MPa，2MPa的模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 模型計(jì)算云圖

如圖1所示可知，水力壓裂的模擬圖大致呈現(xiàn)三個(gè)階段變化，第一階段當(dāng)注液壓力大于巖石的起裂壓裂時(shí)，此時(shí)的巖石沿著預(yù)制裂縫方向起裂；第二階段為巖石起裂后受到水平應(yīng)力差的影響出現(xiàn)裂縫的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象；第三階段當(dāng)偏轉(zhuǎn)完成后裂縫沿著最大主應(yīng)力方向發(fā)生擴(kuò)展。這是隨著不斷向鉆孔內(nèi)部注入壓裂液，鉆孔內(nèi)部的能量不斷增大，當(dāng)鉆孔內(nèi)部的能量大于鉆孔起裂所需的能量時(shí)，鉆孔發(fā)生起裂，起裂瞬間由于能量瞬間釋放，此時(shí)起裂裂縫會(huì)沿著預(yù)制尖端擴(kuò)展一定的長(zhǎng)度，后隨著水平應(yīng)力差的作用，裂縫出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)至沿最大主應(yīng)力方向，隨著壓裂液的繼續(xù)注入此時(shí)的裂縫沿著最大主應(yīng)力方向持續(xù)發(fā)生擴(kuò)展，完成水力壓裂的整個(gè)過(guò)程。從圖中可知最大變形量及起裂壓力均出現(xiàn)在鉆孔壁附近，且應(yīng)力及應(yīng)變?cè)茍D呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)的趨勢(shì)。

對(duì)模型預(yù)制尖端起裂單元進(jìn)行分析，對(duì)其在不同水平應(yīng)力差下的裂縫寬度、壓裂液流速進(jìn)行對(duì)比研究。

當(dāng)水平應(yīng)力差為2MPa時(shí)，此時(shí)尖端單元的裂縫寬度為0.15mm，當(dāng)水平應(yīng)力差增大至3MPa時(shí)，此時(shí)的模型的預(yù)制尖端裂縫寬度為0.13mm，裂縫寬度降低了15.41%，隨著水平應(yīng)力差提升至4MPa時(shí)，此時(shí)裂縫起裂的寬度為0.115，降低了13.04%，當(dāng)水平應(yīng)力差增大至5MPa時(shí)，此時(shí)的裂縫寬度最小為0.11mm，降低了4.54%?？梢钥闯鲭S著水平應(yīng)力差的增大，預(yù)制裂縫尖端單元的裂縫寬度逐漸減小，這是由于隨著水平應(yīng)力差的增加，相同預(yù)制裂縫下的紫砂巖起裂壓力逐步減小，巖石內(nèi)部的憋壓程度降低，在巖石起裂瞬間釋放的能量減小，所以巖石預(yù)制裂縫尖端單元的裂縫寬度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。對(duì)比圖如2所示。

根據(jù)圖2可知，當(dāng)水平應(yīng)力差為2MPa時(shí)，此時(shí)尖端單元內(nèi)部壓裂液流速為0.075m/s，隨著水平應(yīng)力差增大至3MPa時(shí)，此時(shí)尖端起裂單元的壓裂液流速為0.068m/s，相較于水平應(yīng)力差2MPa，壓裂液流速降低了10.29%，當(dāng)水平應(yīng)力差提升至4MPa時(shí)，此時(shí)壓裂液流速為0.064m/s，較3MPa降低了6.25%，當(dāng)水平應(yīng)力差增大至5MPa時(shí)，此時(shí)的壓裂液流速最小為0.059m/s?？梢缘贸鲭S著水平應(yīng)力差的增大，預(yù)制尖端起裂單元內(nèi)部壓裂液流速逐漸減小。隨著水平應(yīng)力差的增加，紫砂巖的起裂壓力減小，巖石發(fā)生起裂時(shí)瞬間釋放的能量減弱，壓裂液迸發(fā)的壓力降低，流速減慢。巖石起裂瞬間釋放的能量減小，所以巖石預(yù)制裂縫尖端單元的壓裂液流速呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖2 不同應(yīng)力差下壓裂參數(shù)變化圖

對(duì)不同應(yīng)力差下砂巖水力壓裂巖石起裂偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行研究，起裂偏轉(zhuǎn)角隨水平應(yīng)力差變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 不同應(yīng)力差下起裂偏轉(zhuǎn)角變化圖

從圖中可以看出，水平應(yīng)力差為2MPa時(shí)紫砂巖的偏轉(zhuǎn)角最小為5.2°，當(dāng)水平應(yīng)力差增大至3MPa時(shí)，此時(shí)紫砂巖的偏轉(zhuǎn)角增大至了10.5°，隨著應(yīng)力差的進(jìn)一步增大，紫砂巖的偏轉(zhuǎn)角增大至16.2°，水平應(yīng)力差為5MPa時(shí)，此時(shí)紫砂巖的偏轉(zhuǎn)角最大為22.8°。所以隨著水平應(yīng)力差的增加，紫砂巖起裂的偏轉(zhuǎn)角逐步增大。這是因?yàn)殡S著水平應(yīng)力差的增加，裂縫沿著預(yù)制尖端起裂時(shí)受到最大水平主應(yīng)力的約束作用越強(qiáng)，裂縫會(huì)朝著約束相對(duì)較小的方向發(fā)生擴(kuò)展。

可以看出，隨著設(shè)定的水平應(yīng)力差增大，砂巖的起裂壓力逐步減小，起裂瞬間釋放的能量減小，此時(shí)巖石起裂的裂縫的寬度及巖石內(nèi)部流體的流速降低。同時(shí)水平應(yīng)力差越大，應(yīng)力差對(duì)巖石的起裂促進(jìn)作用越強(qiáng)，預(yù)制尖端對(duì)起裂的導(dǎo)向作用越低，巖石的起裂偏轉(zhuǎn)角越大，當(dāng)水平應(yīng)力差增大到一定程度時(shí)，此時(shí)的預(yù)制裂縫對(duì)巖石起裂的指導(dǎo)作用消失，巖石沿著鉆孔壁起裂。

4 結(jié)論

（1）本文通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)砂巖定向水力壓裂進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)定向水力壓裂過(guò)程可分為三個(gè)階段，分別為起裂、偏轉(zhuǎn)、擴(kuò)展。

（2）通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)不同應(yīng)力差下巖石起裂參數(shù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力差的增大，巖石起裂的裂縫寬度及液體流速均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

（3）通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)，隨著水平應(yīng)力差的增大，水平應(yīng)力差對(duì)巖石起裂的約束作用增大，巖石的起裂偏轉(zhuǎn)角逐步增大。