定向水力致裂坚硬顶板的实践范文

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《煤矿开采杂志》2014年第三期

1岩石定向水力致裂原理

水力致裂原理是通过在岩层中进行预先切槽，切槽处在高压水的作用下，应力值和应变值急剧增加，当应力和应变超过一定值时，岩石就会开裂，则顶板就会被压裂。定向水力致裂技术的关键在于预先切槽，由于在致裂部位产生了内嵌楔形槽，高压水在开槽部位会产生应力集中，尖端应力值σmax和应变值εmax急剧增加。高压泵流量大小也是影响水力致裂效果的重要指标。根据经验，通常要求高压泵流量不能低于80L/min，否则会减小致裂范围而降低致裂效率。

2坚硬顶板定向水力致裂数值模拟

FLAC软件是一种工程力学计算的显式有限差分程序，主要模拟土、岩石等材料的力学行为，内部含有多个力学模型，如弹性模型、摩尔–库伦模型。不但可以模拟岩石的线性问题，也可以模拟岩石的非线性问题。RFPA数值模拟是一种基于有限元应力分析和统计损伤理论的材料破裂过程计算方法，能够模拟材料渐进破裂直至失稳全过程的数值试验工具。针对模拟目的的不同选择适合的数值模拟方法，本文采用FLAC2D模拟围岩的应力集中程度，采用RFPA2D模拟岩石的裂纹扩展情况。

2.1模型建立采用FLAC2D建立二维模拟模型，模型尺寸为600mm×700mm，模型共分100×100的网格，本构模型采用弹性模型，钻孔直径42mm。模型上表面施加均匀的垂直压应力(施加应力值采用深度为400m地应力实测值10MPa，模型两侧面施加随深度变化的水平压应力，水平压应力根据侧压系数进行计算后得到)，模型下表面垂直位移和模型侧面水平位移固定。

2.2模拟结果分析注水前，钻孔切槽尖端的应力分布云图和钻孔水平沿监测线垂直应力分布曲线见图1所示。从图中可以看出，注水前，钻孔切槽部位形成了压应力集中，应力集中系数达到3～3.5。注水后(注水压力为15MPa)，钻孔尖端的应力分布云图和钻孔水平沿监测线垂直应力见图2所示。从图中可以看出，由于切槽的尖端效应，注水后形成拉应力集中，集中系数达到3～3.5。为了进一步分析水力致裂裂纹扩展情况，采用RFPA2D数值模拟软件，模拟在顶板岩层中进行定向水力致裂时裂纹扩展情况，裂纹扩展示意图见图3所示。从图3中可以看出，首先在钻孔切槽附近形成裂纹，随着压裂时间的延长，裂纹逐渐向外扩展，扩展方向沿着切槽方向，正是由于切槽效应，较小的水压即可形成大范围的裂纹扩展，不但提高了致裂效率，也大大降低了致裂成本。

3坚硬顶板水力致裂工业性试验

3.1试验地点与钻孔布置本次工业性试验地点为煤峪口煤矿410盘区81008工作面的回风巷和运输巷。开孔位置距顶板200～300mm，钻孔长度为30m，孔间距为20m，仰角10°，钻孔水平投影与巷道夹角为70°，钻孔直径为38mm。钻孔布置见图4所示。压裂地点顶板岩石抗拉强度为9.32MPa，抗压强度120MPa，垂直主应力5.5MPa，最大水平主应力7.71MPa，最小水平主应力为4.65MPa。根据工作面顶板岩层的特点，在工作面运输巷与回风巷布置定向水力致裂钻孔，实时监测致裂钻孔两侧钻孔涌水情况，通过观测两侧钻孔涌水情况分析水力致裂裂隙扩展范围。

3.2试验机具与设备(1)开凿设备KC38钻头的直径为38mm，成孔直径42mm，该钻孔小于传统的钻孔(预裂爆破)，这样有利于提高钻进效率。(2)封隔器主要是对开槽处进行封孔，从而使水保持较高的压力，该封隔器不但可以较好地进行封孔，还可以进行不同深度的封孔，从而达到一个钻孔多次压裂的目的，增加压裂效果。(3)注水压力合理选取高压注水泵的压力和流量是影响水力致裂效果的关键，根据弹性理论，裂缝产生所需的破裂压力计算式为:P=1.3×(9.32+4.65)=18.2(MPa)此外，由于高压注水管路和泵站存在一定的工作阻力，个别区域岩石的抗拉强度和地应力数值也有差别，为了能保证压力留有一定余量，确定高压注水泵的额定压力为35MPa。综合考虑电机功率、设备体积及矿井实际条件等因素，确定泵的流量为120L/min。

3.3试验过程首先进行钻孔，钻孔完成后，利用窥视仪设备进行围岩窥视，确定围岩完整区域，然后利用切槽钻头在围岩完整区域进行开槽。开槽完成后，采用封隔器对开槽区域进行封孔，然后连接封孔设备，对封孔器进行注气封孔，封孔器中的气压在15MPa左右，最后连接高压注水泵，安装水压仪，对钻孔不同深度的岩层进行分层压裂。

4试验结果分析

4.1压裂钻孔周围监测孔观测通过监测布置在压裂钻孔两侧的监测钻孔涌水情况来分析裂缝的扩展范围。试验时，监测孔分别位于致裂孔15m，18m，20m，23m，通过致裂过程观察监测孔涌水情况。当监测孔距离致裂孔15m和18m时，压裂10～15min，监测孔有大量水涌出;当监测孔距离致裂孔20m时，压裂20min左右，监测孔的水量有少量水流出;当监测孔距离致裂孔23m时，压裂30min，监测孔没有水流出。进行多组同样试验，压裂情况与该孔压裂情况基本相同。

4.2高压泵水压波动曲线分析注水致裂试验过程中，记录了2个孔的注水泵压力波动曲线，变化曲线见图5、图6所示。从图5可以看出，在压裂开始时，水压仪压力逐渐上升，达到17MPa时，突然泵压下降，这主要由于岩层开裂，卸压导致泵站压力下降，随着裂缝扩展，泵站压力开始保持稳定，裂纹慢慢地进一步扩展，当裂纹扩展至周围钻孔时，泵站压力开始下降，关闭高压泵，注水结束。从图6可以看出，在高压泵压裂时，水压仪监测曲线波动比较明显，水压升降剧烈，这主要由于岩层中存在很多裂隙、弱结构，当高压水进入裂隙带时，泵的水压就会急剧下降，反之，则会急剧增加。

4.3工作面来压步距观测该工作面在未进行定向水力致裂以前，属于坚硬难垮落顶板，工作面顶板的初次来压步距达到了35m，周期来压步距也达到了26m。来压时，工作面有明显的动力现象，工作面的支架经常受到冲击破坏，巷道加强支护段锚杆也出现破断现象。对该工作面进行定向水力致裂以后，周期来压步距基本在13～16m，来压过程中，冲击明显减弱，巷道锚杆未见破断现象。综上，定向水力致裂技术有效地改善了坚硬顶板的难垮落问题，并且由于采用了切槽技术，在切槽处形成了应力集中现象，所需压力基本低于裂缝扩展压力。但是在工程实践过程中，也存在一些问题，例如封孔困难、压力不足等，这些问题有待进一步研究。

5结论

通过对坚硬顶板水力致裂进行数值模拟和工业性试验，得出如下结论:(1)在进行水力致裂时，切槽可有效降低裂缝破裂所需压力;采用气体膨胀式封隔器可对岩层坚硬段进行分段逐次压裂。(2)定向水力致裂可使裂缝在顶板中扩展一定范围，随着压裂处与孔口距离的增大，裂缝破裂和扩展所需的压力也相应增大。(3)在压裂过程中，压力－时间曲线并不完全相同，这主要是因为岩石是非均质体，再加上受围岩裂隙、地应力等因素的影响。

作者：刘丽萍单位：内蒙古乌海市煤炭局国有安监科