堅硬頂板定向水力壓裂技術應用研究

崔巖兵

摘 要：為了解決礦井堅硬頂板難垮難落的問題，本文以馬蘭礦為研究背景，利用COMSOL數值模擬軟件對不同水平應力差及不同預制裂縫角下巖石的起裂壓力進行研究，發現隨著水平應力差的增大，巖石的起裂壓力呈現出減小的趨勢，同時隨著預制裂縫角的增大，巖石的起裂壓裂逐步增大，為解決堅硬頂板作出一定的借鑒。

關鍵詞：數值模擬;起裂壓力;水平應力差;堅硬頂板

1 前言

礦井開采進程中，堅硬難垮頂板一直是困擾礦井安全開采的難題。堅硬難垮頂板是由堅硬的礫巖、石灰巖和砂巖等堅硬巖體形成厚而堅硬的巖層，存在于直接頂上方。上覆巖層堅硬難垮落頂板會隨著工作面的推進易形成面積較大的懸頂，大面積懸頂一旦垮落將產生巨大的沖擊載荷，誘發壓架事故，在采用無煤柱開采的沿空留巷，大面積的懸頂將會對巷道倆旁的巖體產生較大的載荷，誘發巷道變形，使礦山的維護成本增加。所以對堅硬頂板進行切頂卸壓是十分必要的，此前閆少宏等人研究提出了人工切槽注高壓水，人為的將堅硬老頂分層，來達到降低堅硬頂板的強度的目的，并且分析了水力壓裂的機理、水力壓裂的擴展機理和裂縫擴展的條件與方向。本文利用數值模擬軟件對不同壓裂參數下巖石的起裂及擴展進行研究，為巷道圍巖控制提供一定的參考。

2 巖石壓裂模型建立

巖石的水力壓裂過程是指將高壓水注入事先預制號的鉆孔內部，通過注入高壓水使得鉆孔內部形成水壓聚集，當鉆孔內部的高壓水壓力超過巖石的斷裂強度，巖石發生起裂，在鉆孔壁形成垂直于鉆孔及平行于鉆孔的裂縫，在高壓水的持續注入下，巖石起裂的裂縫進一步發生擴展，直至壓力穩定，水力壓裂過程結束。但由于裂縫擴展及起裂仍具有一定的無規則性，后續研究提出定向水力壓裂，在巖石預先打好的鉆孔內進行預制裂縫，以達到裂縫沿著預先給定尖端發生擴展的目的。定向水力壓裂模型示意圖如圖1所示。

如圖1所示，α為預制裂縫角，°（預制角度與最大水平主應力的夾角）;бH為最大水平主應力，MPa;бh為最小水平主應力，MPa。為了對巖石的壓裂過程進行研究，首先進行數值模擬建模，模型的尺寸選定為300mm*300mm，在巖石的中心鉆取直徑25mm的鉆孔，并給定預制裂縫角，對模型的參數進行設定，模型的參數設定參照堅硬頂板巖性進行選定，本文選定為砂巖，完成模型參數設定后，對模型進行約束及應力的設定，固定模型XY方向的位移，在模型內部施加注液壓力，在模型的X方向施加最大水平主應力7MPa，模型的Y方向施加最小水平主應力，本文模擬不同應力差下巖石內部應力分布情況，應力差的改變利用最小水平主應力的變化來實現。

3 模擬結果分析

模型模擬云圖如圖2所示。

如圖2可以看出，當預制裂縫角度為90°時，應力云圖呈現對稱分布的特征，在鉆孔邊緣形成蝴蝶形狀的應力集中，應力的最大值為9.88MPa，應力峰值出現在預制裂縫的尖端位置，此時裂縫沿著巖石的預制尖端發生起裂，隨著高壓水的持續注入，裂縫發生擴展，擴展的方向沿著最大主應力方向，這是由于最大主應力對巖石的擴展起到約束作用，巖石發生起裂后，裂縫沿著最容易擴展的方位進行擴展即最大主應力方向，同時由于本文模型的參數設定呈現出對稱分布的特征，所以最終裂縫形態應當呈現出對稱分布的S型裂縫。

對不同應力差下巖石的起裂壓力進行研究，選定應力差分別為2MPa、3MPa、4MPa、5MPa及6MPa的情況進行模擬。隨著水平應力差的增大，巖石的起裂壓力呈現逐步減小的趨勢，當水平應力差為2MPa時，此時巖石的起裂壓力為9.88MPa，當水平應力差增大至3MPa時，此時巖石的起裂壓力減小至9.14MPa，較水平應力差2MPa時起裂壓力減小了0.74MPa，減小的幅度為7.49%;當水平應力差增大至4MPa時，此時巖石起裂壓力為8.32MPa，較水平應力差2MPa時起裂壓力減小了1.56MPa，減小的幅度為15.79%;當水平應力差增大至5MPa時，此時巖石的起裂壓力減小至7.82MPa，較水平應力差2MPa時起裂壓力減小了2.06MPa，減小的幅度為20.85%;當水平應力差增大至6MPa時，此時巖石起裂壓力為7.14MPa，較水平應力差2MPa時起裂壓力減小了2.74MPa，減小的幅度為27.73%。這是由于隨著水平應力差的增大，巖石預制裂縫尖端受到的剪切應力越大，巖石沿預制裂縫尖端起裂需要的應力越小。

對不同預制裂縫角度下巖石的起裂壓力進行研究，選定預制裂縫角分別為15°、30°、45°、60°、75°和90°的情況進行模擬，選定水平應力差2MPa進行研究，將起裂壓力進行匯總如圖3所示。

根據圖3可以看出，隨著預制裂縫角的增大，巖石的起裂壓力呈現逐步增大的趨勢，當預制裂縫角為15°時，此時巖石的起裂壓力為7.12MPa，當預制裂縫角增大至30°時，此時巖石的起裂壓力增大至7.56MPa，較預制裂縫角為15°時起裂壓力增大了0.44MPa，增大的幅度為6.18%;當預制裂縫角為45°時，此時巖石起裂壓力為8.03MPa，較預制裂縫角為15°時起裂壓力增大了0.91MPa，增大的幅度為12.78%;當預制裂縫角增大至60°時，此時巖石的起裂壓力增大至8.66MPa，較預制裂縫角為15°時起裂壓力增大了1.54MPa，增大的幅度為21.62%;當預制裂縫角增大為75°時，此時巖石起裂壓力為9.24MPa，較預制裂縫角15°時起裂壓力增大了2.12MPa，增大的幅度為29.77%;當預制裂縫角增大至90°，巖石的起裂壓力為9.88MPa，增大了2.76MPa，增大的幅度為38.7%。這是由于隨著巖石的預制裂縫角的增大，巖石預制裂縫尖端受到最大主應力的約束力越強，預制裂縫尖端起裂起裂受到的約束力越大，巖石沿預制裂縫尖端起裂需要的起裂壓力越大。

工作面上部覆存的堅硬頂板受到采動的影響使得應力重新分布，最大最小主應力的方向會出現一定的改變與轉換，所以為了使壓裂裂縫沿著工作面推進方向，需要找到工作面覆巖最佳的壓裂位置，達到理想的壓裂目的。

4 結論

①為了研究頂板定向壓裂裂縫起裂壓力情況，本文通過建立二維巖石模型，對不同壓裂參數下起裂壓力進行研究，給出了模型的建立過程。對不同應力差下巖石的起裂壓力進行研究發現，隨著水平應力差的增大，巖石的起裂壓力呈現出減小的趨勢;②對不同預制裂縫角下巖石的起裂壓力進行研究發現，隨著預制裂縫角的增大，巖石的起裂壓力呈現出增大的趨勢。