淺埋深堅硬頂板定向鉆孔水力壓裂技術(shù)應(yīng)用研究

程宇暉

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司辛置煤礦，山西 霍州 031400）

0 引言

隨著多年煤炭資源的開采，眾多難題制約著開采技術(shù)的發(fā)展，其中堅硬頂板問題無疑是最常見的問題，在我國約4 成以上的煤層存在堅硬頂板問題，由于堅硬頂板的存在使得在開采過程中，頂板無法直接垮落，形成較大面積的懸頂，而懸頂?shù)拇嬖谑沟孟锏绹鷰r變形，一旦懸頂無法承載覆巖重量發(fā)生垮落則會造成較大的沖擊波，嚴(yán)重威脅著生產(chǎn)人員的安全，針對堅硬頂板我國常見的治理方法多為爆破切頂[1]，通過在堅硬頂板中轉(zhuǎn)孔爆破達(dá)到頂板的預(yù)裂效果。水力壓裂技術(shù)是一種通過高壓注水從而達(dá)到預(yù)裂頂板的一種技術(shù)手段，其相較于爆破切頂具有工序簡單、成本低的優(yōu)點，所以水力切頂?shù)玫搅诉M(jìn)一步的發(fā)展，此前眾多學(xué)者對水力壓裂進(jìn)行過一定的研究[2]，本文基于前人的研究對影響水力壓裂切頂效果的參數(shù)進(jìn)行研究，旨在滿足切頂效果的基礎(chǔ)上達(dá)到降低成本的目的，為后續(xù)堅硬頂板治理提供一定的參考與借鑒。

1 礦井概況及數(shù)值模型建立

霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司辛置礦（全文簡稱辛置礦）地表位于山西臨汾橋西村西北1 000 m，上跑蹄村以南570 m，焦家垣東北1 800 m；地表多為荒地，北部地貌為溝壑，中部、南部均較平坦，辛置礦2-208（以下簡稱2-208）綜放工作面開采2 號煤層，其上部3 號煤層已經(jīng)采空，3 號煤層與2 號煤層間距離6 m左右，層間距較小，工作面回采屬于近距離采空區(qū)下開采。

由于2-208 工作面四周為未開采煤層，工作面的走向長度為320 m，主采煤層為2 號煤層，煤層厚度為1.6～2.4 m，煤層平均厚度為1.9 m，煤層的平均傾角為2.1°，煤層整體較為穩(wěn)定。工作面埋深較淺，整體巖性較為堅硬，頂板管理難度較大，為了保障工作面的安全開采，需要對工作面頂板進(jìn)行治理，在經(jīng)過充分考慮后選定采用水力壓裂切頂，對水力壓裂切頂參數(shù)進(jìn)行研究[3]。

利用數(shù)值模擬對水力壓裂參數(shù)進(jìn)行研究，選用abaqus 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，考慮到堅硬頂板面積較大，在一定程度上可以簡化為有限個小單元，所以模型建立為尺寸為20 m×20 m 的正方體，在模型中間施加鉆孔，鉆孔的直徑為50 mm，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，充分考慮模型的計算精度及計算時間，在模型靠近鉆孔位置進(jìn)行細(xì)劃分，單元格尺寸為1 cm×10 cm，在距離鉆孔較遠(yuǎn)段適當(dāng)粗劃分，單元格尺寸為0.2 mm×0.2 mm，完成模型網(wǎng)格劃分后對模型進(jìn)行物理參數(shù)設(shè)定，將模型整體物理參數(shù)設(shè)定為砂巖參數(shù)，在模型的鉆孔內(nèi)部設(shè)定注水點，對模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，固定模型四邊的位移，在模型的垂直方向施加最大水平主應(yīng)力，在模型的水平方向施加最小水平主應(yīng)力，固定最大水平主應(yīng)力為8 MPa，通過改變最小主應(yīng)力以此來達(dá)到改變應(yīng)力差，完成模型的建立。

2 模擬分析

首先對應(yīng)力差2 MPa 下模型的起裂進(jìn)行研究，模型的預(yù)制角度為45°，在預(yù)制尖端位置布置應(yīng)力監(jiān)測點，用于監(jiān)測模型壓裂過程中應(yīng)力變化情況，模型壓裂曲線如圖1 所示。

圖1 模型壓裂曲線

由圖1 可以看出，當(dāng)預(yù)制尖端角為45°時，在模擬0～14 s 內(nèi)時，此時的注液壓力呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，此時模型內(nèi)部的孔隙被液體填充，此時的巖石內(nèi)部無裂縫產(chǎn)生，當(dāng)注液時間來到14～40 s 內(nèi)時，在此階段注液壓力達(dá)到峰值，此時模型內(nèi)部能量快速聚集，并沿著預(yù)制端發(fā)生起裂，此時的應(yīng)力峰值為11.26 MPa，當(dāng)注液時間超過40 s 時，此時注液壓力曲線急速下降并穩(wěn)定，壓力裂縫發(fā)生擴(kuò)展，壓裂完成。根據(jù)注液壓力隨時間的變化趨勢，可將壓裂過程分成孔隙注液階段、壓裂階段、擴(kuò)展階段三個部分。

對不同應(yīng)力差下起裂壓力進(jìn)行分析，選定應(yīng)力差為2 MPa、3 MPa 和4 MPa，選定三種應(yīng)力差下的注液壓力峰值進(jìn)行匯總?cè)鐖D2 所示。

圖2 不同應(yīng)力差下的注液壓力峰值曲線

從圖2 可以看出，隨著設(shè)定應(yīng)力差逐步增大，此時注液壓力峰值呈現(xiàn)降低的趨勢，但整體降低趨勢呈現(xiàn)減弱的特點，當(dāng)應(yīng)力差為2 MPa 時，此時注液壓力峰值為11.26 MPa，應(yīng)力差增大至3 MPa 時，注液壓力峰值增大至10.24 MPa，應(yīng)力差4 MPa 時，注液壓力峰值為9.42 MPa，出現(xiàn)這樣現(xiàn)象的原因是由于隨著應(yīng)力差的增大，此時限制巖石起裂的作用力減弱，巖石起裂需要的能量減少，注液壓力峰值降低。

對不同預(yù)制角下的裂縫擴(kuò)展長度進(jìn)行研究，預(yù)制角分別為0°、15°、30°、45°、60°，不同預(yù)制角下裂縫擴(kuò)展長度變化趨勢如圖3 所示。

圖3 不同預(yù)制角下裂縫擴(kuò)展長度變化曲線

如圖3 可以看出，隨著預(yù)制角度的不斷加大，此時裂縫長度呈現(xiàn)出逐步減小的趨勢，當(dāng)預(yù)制角為0°時，此時裂縫的長度為9 m，預(yù)制角增大至15°時，裂縫長度為8.1 m，較預(yù)制角0 時減小了0.9 m，當(dāng)預(yù)制角30°、45°和60°時，此時的裂縫長度分別為7.8 m、6.4 m 和5.8 m，相較于預(yù)制角0 時，分別減小了1.2 m、2.6 m 和3.2 m。這是由于隨著預(yù)制角的增大，此時巖石起裂需要的能量越小，鉆孔內(nèi)部能量聚集越少，一旦鉆孔尖端發(fā)生起裂后，鉆孔內(nèi)部的的能量快速釋放，由于能量聚集較少，所以裂縫擴(kuò)展長度有所下降。

對不同注液量下，裂縫參數(shù)變化情況進(jìn)行分析，設(shè)定注液排量分別為0.001 m3/s、0.002 m3/s、0.003 m3/s、0.004 m3/s 及0.005 m3/s。注液量與裂縫擴(kuò)展長度變化曲線如圖4 所示。

圖4 注液量與裂縫擴(kuò)展長度變化曲線

如圖4 可以看出，隨著支注液量的增大，此時裂縫擴(kuò)展長度呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，當(dāng)壓裂液排量為0.001 m3/s 時，可以看出此時的裂縫長度為6.2 m，增大壓裂液排量為0.002 m3/s、0.003 m3/s、0.004 m3/s、0.005 m3/s 時，此時裂縫擴(kuò)展長度分別為9.8 m、12.4 m、14.2 m、16.4 m，相比壓裂液排量0.001 m3/s 時，裂縫的擴(kuò)展長度分別增大了3.6 m、6.2 m、8.0 m、10.2 m。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是由于隨著壓裂液排量的增大，此時相同時間內(nèi)鉆孔內(nèi)部聚集的能量增大，在巖石起裂瞬間，巖石內(nèi)部流體快速流動，由于能量沖擊，使得裂縫擴(kuò)展的長度增加。

3 結(jié)論

1）根據(jù)注液壓力隨時間的變化趨勢，可將壓裂過程分成孔隙注液階段、壓裂階段、擴(kuò)展階段三個部分。

2）隨著設(shè)定應(yīng)力差逐步增大，此時注液壓力峰值呈現(xiàn)降低的趨勢，但整體降低趨勢呈現(xiàn)減弱的特點。

3）根據(jù)不同預(yù)制角下裂縫擴(kuò)展長度變化曲線可知，隨著預(yù)制角度的不斷加大，此時裂縫長度呈現(xiàn)出逐步減小的趨勢。同時，根據(jù)不同注液排量下裂縫擴(kuò)展長度變化曲線可知，隨著支注液量的增大，此時裂縫擴(kuò)展長度呈現(xiàn)逐步增大的趨勢。