综放工作面回撤通道水力压裂切顶技术研究

孟伟

摘 要：为了解决回撤通道围岩变形大的问题，本文以斜沟矿为研究背景，以abaqus数值模拟软件对岩石水力压裂过程进行模拟分析，发现随着应力差的增大，岩石内部的应力逐步增加，起裂需要的注水压力降低，随着压裂段长度的增大，岩石起裂需要的注液压力逐步降低，同时经过卸压后回撤通道垛式支架支撑压力明显减小，维护了回撤通道稳定性。

关键词：数值模拟;水力压裂;回撤通道

1 前言

我国煤炭资源丰富但赋存条件较为复杂，我国煤层中有近四成开采存在坚硬顶板问题，坚硬顶板是指在煤层的顶板或直接顶的上端存在一层硬度高的岩层，多由砂岩和砾岩等组成。坚硬顶板在开采过程中难垮难落形成大面积的悬顶，悬顶一旦发生垮落将会造成工作面冲击灾害，同时在沿空留巷留煤柱開采的巷道，大面积悬顶将会造成煤柱尺寸增大，造成能源的损害，同时在无煤柱开采的矿山，大面积悬顶造成巷道变形增大，巷道的维护成本加大，所以对坚硬顶板进行预裂是十分必要的，此前韩军军[1]为了解决工作面顶板难垮难落的问题，提出水力压裂进行卸压，通过分析水力压裂工艺流程及压裂参数的步骤情况，为后期现场水力压裂卸压施工提供技术参考。李宇[2]通过水力压裂技术对综采面的顶板进行卸压，发现经过弱化顶板消除了部分悬顶，有效的降低煤体应力集中，降低了工作面及回撤通道的变形。本文以斜沟矿为研究背景对回撤工作面顶板进行水力压裂，通过数值模拟软件对水力压裂进行研究，为后续工程实践提供一定的参考。

2 水力压裂研究

斜沟矿18502工作面采用综合机采进行开采，在其8#煤层工作面选用双回撤通道回撤，主回撤通道采用锚杆锚索及液压支架联合支护，在初次支护锚杆锚索支护完毕后，利用钢筋梯子及补打锚杆锚索进行支护补强，同时在回撤通道与联络巷交汇位置布置液压支架。但由于回撤通道受到工作面超前支撑压力的作用，使得回撤通道的顶板受到较大的自重，造成通道的围岩发生变形，所以需要对回撤巷道进行水力压裂卸压。

水力压裂技术是指在煤层顶板进行纵向钻孔，利用高压水进行钻孔注水，达到压裂顶板，在顶板形成人工裂缝，以此达到卸压目的。为了对实践压裂提供一定参考，本文利用数值模拟对岩石的水力压裂特性进行研究，首先进行模型构建，由于斜沟矿回撤通道顶板属于砂岩，所以建立砂岩模型，模型的弹性模量为10GPa，砂岩的内摩擦角为28°，泊松比为0.23，粘聚力为9.5MPa，抗拉强度为4.0MPa，选用摩尔库伦本构模型。

模型长宽均为500mm，高度为3000mm，对模型进行网格划分，网格划分选用八节点线性划分法，根据实际资料对模型进行约束及边界应力的施加，在模型的中心位置进行钻孔并注水，提交作业进行压裂。模型示意图如1所示。

首先对不同地应力条件下水力压裂进行研究，钻孔的直径选定为56mm，压裂段长度为600mm，最小水平主应力为6MPa，垂直应力为10MPa。通过改变最大水平主应力来改变应力差，最大水平主应力分别选择8MPa、12MPa和18MPa。应力云图如2所示。

从图2可以看出，在注液压力一定的情况下，随着水力压裂最大水平应力差的增大，岩石内部的应力分布出现逐步增大现象，且随着应力差的增大，岩石内部应力最大值出现的位置不会发生改变，均会出现在岩石的钻孔中心位置，当最大水平主应力为8MPa，应力差为2MPa时，此时的最大压应力为9.7MPa，当最大水平主应力为10MPa，应力差为4MPa时，此时最大压应力增大至12.3MPa，较2MPa时增大了2.6MPa，当最大水平主应力为12MPa，应力差为6MPa时，此时的最大拉应力为17.2MPa，较2MPa时增加了6.5MPa，可以看出，在一定水压的作用下，随着应力差的增大，岩石内部的最大应力值也在增大，反之为随着应力差的增大，岩石发生起裂时需要的注液压力越低，压裂越容易发生。这是由于随着应力差的增大，应力差对岩石起裂的指引作用越强，裂缝起裂向着最小主应力方向约容易发生，所以岩石起裂需要的注液压力越低。同时可以发现，岩石内部的应力分布呈现对称分布，对称轴为岩石的钻孔中心轴线上。

对不同压裂段长度下岩石内部应力分布情况进行分析，选定应力差为6MPa进行研究，钻孔直径保持56mm，压裂段长度为200mm、400mm和800mm。

通过观测可知，当压裂段长度为200mm，拉应力在压裂段的中心部位首先出现，随着水压的不断增大拉应力最大值逐步增大，当水压增大到12MPa时，此时压裂段开采发生扩展，出现裂缝，此时在压裂段端头位置出现最大值20.1MPa，当压裂段长度为400mm时，由于压裂段的长度较大，在水压达到11.3MPa时，钻孔被完全贯通，此时的裂缝呈现直线型，此时的最大压应力为19.9MPa，当压裂段长度增大至800mm时，此时的岩石的应力分布图与400mm时几乎类似，在水压增大至11.1MPa时，裂缝完全贯通，最大压应力为19.6MPa。可以看出，随着压裂段长度的增大，岩石起裂需要的水压逐步降低。所以在一定的应力差下，增大压裂段的长度可有效的降低水压。

3 水力压裂卸压前后对比分析

采用水力压裂对顶板进行卸压，保证工作面能够及时卸压，及时冒落。对经过水力压裂卸压前后垛式支架的应力情况进行研究，验证水力压裂卸压的可行性。从图中可以看出，当回撤通道距离工作面为50m后，卸压前后垛式支架承受的支撑阻力类似，从数值上分析可知，卸压前后支撑阻力值相差0.12MPa，所以可知应力影响方位小于50m。当回撤通道距离工作面距离15m时，此时经过卸压后，支撑阻力降低了0.5MPa，当回撤通道距离工作面距离5m时，此时的支撑阻力降低了1MPa，所以经过水力压裂卸压后，工作面顶板可及时冒落，回撤通道垛式支架的压力有了明显的减小，回撤巷道的矿压显现情况得到了一定的解决。

4 结论

①根据对应力差对岩石水力压裂的影响进行模拟发现，随着水平应力差的增大，岩石压裂段的压应力最大值逐步增大，岩石起裂需要的注液压力逐步降低，且应力分布呈现对称性;②根据对压裂段长度对岩石水力压裂的影响进行模拟发现，随着压裂段长度的增大，岩石起裂需要的注液压力逐步降低，但压裂段长度增大到一定程度后，压裂段长度对岩石起裂的影响效果降低;③经过对水力压裂卸压前后回撤通道垛式支架支撑压力进行分析发现，经过水力压裂卸压后垛式支架支撑应力的增加趋势逐步降低，且应力最大值有了明显减小，卸压效果明显。

参考文献：

[1]韩军军.煤矿水力压裂切顶卸压工艺分析[J].能源与节能，2019（12）：102-103.

[2]李宇.综放工作面回撤通道水力压裂切顶卸压技术研究[J].同煤科技，2019（04）：21-23.