坚硬顶板水力压裂切顶卸压技术研究及应用

褚永红

（山西煤炭进出口集团蒲县豹子沟煤业有限公司， 山西 临汾 041204）

引言

我国国土辽阔，有着丰富的能源储量，但能源分布呈现的整体趋势为多煤贫油少气，其中化石能源（煤炭资源）在我国能源主体中占据极其重要的地位。我国煤炭资源虽然储量丰富，但整体赋存条件复杂，约有四成的煤层存在坚硬顶板问题。坚硬顶板是指巷道顶板由坚硬岩性岩层组成，在矿井正常开采过程中，由于坚硬顶板的存在，使得巷道变形严重，同时对留煤柱开采的矿山，由于坚硬顶板的存在，造成留设煤柱宽度大幅度增加，严重浪费煤炭资源[1-2]。目前我国最常用的治理方法为切顶卸压，切顶的方法可分为爆破切顶、聚能切顶和水力压裂切顶三种。此前众多的学者对爆破切顶及聚能切顶作过研究，对水力压裂切顶方案研究较少，因此本文对水力压裂进行研究[3-4]，通过数值模拟软件，对不同应力差、不同注液速率等条件下的岩石压裂特征进行模拟，为矿井水力压裂技术的应用及参数的选择提供一定的依据。

1 某矿9105 工作面概述

某矿9105 工作面位于井田的北部，总体走向为东北至西南，倾向东南的单斜构造，地层倾角变化不大，一般为1°～10°，平均倾角为6°。地面标高为1 440～1585m，工作面走向长1250m、倾向长160m，面积20 万m2，工作面煤层倾角为1°～10°，平均6°，煤层总厚度为2～3 m，平均厚度为2.78 m，煤层赋存稳定，全部可采。

目前9105 工作面顶板支护方案如下：

顶板锚杆规格为Φ22 mm×2 400 mm 的螺纹钢锚杆，锚杆的屈服强度不低于400 MPa，杆尾螺纹为M24。锚杆间距900 mm，每排6 根锚杆，排距1 000 mm，采用2 支CK2340 锚固剂进行锚固，钻孔直径为31 mm，锚固长度887 mm。锚杆采用高强锚杆M24 螺母，支撑托板采用方形带拱托板，尺寸为150 mm×150 mm×10 mm，钢号不低于Q235，配套调心球垫和减摩垫圈。同时采用8 号铁丝编制菱形金属网护顶，金属网的网孔规格50 mm×50 mm，网片规格5 200 mm×1 200 mm。采用W 型钢带护顶，钢带宽280 mm、厚度4 mm、长度4 800 mm，孔间距900 mm。锚索规格为21.6 mm×8 300 mm，17 股预应力钢绞线，锚索“三三”布置，每排2 根，间距1 600 mm、排距2 000 mm。钻头直径30 mm，采用3 支规格为CK2360 树脂锚固剂。锚索托板采用300 mm×300 mm×16 mm 方形带拱锚索托板，托板的拱高不低于60 mm。具体支护平面图如图1 所示。

图1 支护平面图（单位：mm）

在原有支护设计下，由于顶板为坚硬岩层，造成工作面顶板难垮难落，支护存在一定的风险。因此对工作面顶板进行及时切顶卸压，以保证巷道稳定性，对切顶卸压进行研究。

2 模型建立

首先建立模型，考虑到水力压裂均为钻孔压裂，可以类化为正方形试块的压裂，所以模型尺寸选定为300 mm×300 mm，在模型的中心划分直径为25 mm的圆洞，对模型进行网格划分。在进行网格划分时，需充分考虑到计算精度及计算时间的问题，将模型进行分类划分，在模型的中心钻孔边缘进行细划分，在模型的四周进行粗划分，从而在保证计算精度的基础上，大幅度降低模型的计算时间。模型的物理参数参照砂岩进行设定，弹性模量为1 500 GPa，岩石的泊松比设定为0.25。同时由于本文主要研究流体流动特性，所以需要对岩石的孔隙率及泄露系数进行设定，本文岩石的孔隙率及泄露系数分别为0.001 和1×10-6。对模型的四周进行固定约束设置，避免模型边界出现位移，完成模型设定，对模型进行模拟计算。

3 模拟计算

对不同应力差的裂缝偏转进行研究，选定水平应力差分别为2 MPa、3 MPa、4 MPa 和5 MPa，本文仅展示水平应力差为2 MPa 时的应力变形云图，如图1 所示。

图1 水平应力差2 MPa 下岩石应力应变云图

从图1 可以看出，水力压裂下裂缝沿着预制尖端出现扩展，随后随着应力环境的改变出现偏转，裂缝的偏转方向沿着最大主应力方向，这是由于裂缝尖端的存在，随着注液压力的增大，出现尖端应力集中，当尖端的抗剪强度小于尖端的应力时，此时岩石会出现尖端破裂。在无应力差作用时，尖端起裂裂缝会沿着起裂方向进行扩展，但由于应力差的存在使得裂缝会朝着约束力较小的方向进行扩展。观察整体的裂缝扩展形态可以看出，裂缝呈现对称分布，形态呈现S 型，同时随着应力差的增加，裂缝起裂后偏转向最大主应力方向的速度逐步增加。当水平应力差为2 MPa 时，此时的起裂压力最大值出现在裂缝尖端，最大应力值为11.55 MPa，而最大的位移量也在尖端位置，最大值为0.035 mm。

对不同应力差下的裂缝扩展宽度进行研究，水平应力差分别为2 MPa、3 MPa、4 MPa 和5 MPa，不同应力差下裂缝宽度曲线如图2 所示。

图2 不同应力差下裂缝宽度曲线

从图2 中可以看出，随着应力差的增大，裂缝宽度呈现逐步降低的趋势，当水平应力差为2 MPa 时，此时的裂缝宽度最大为0.15 mm；而当水平应力差增大至3 MPa 时，裂缝宽度减小至0.13 mm；水平应力差为4 MPa 和5 MPa 时，裂缝宽度分别为0.115 mm 和0.11 mm。由此可以看出，当水平应力差逐渐增大的过程中，岩石的起裂压力呈现降低的趋势，此时钻孔内部的能量聚集在达到尖端破裂压力时就会发生起裂，钻孔内部破裂瞬时爆发的能量就越少，能量主要用于裂缝的扩展及裂缝宽度生成，而裂缝的扩展能量消耗差距不大，所以水平应力差越大，裂缝宽度越小。同时裂缝宽度不能无限小，裂缝宽度与水平应力差不能呈现正相关函数关系，降低的趋势呈现逐步减小的趋势。

对不同应力差下的应力梯度进行研究，在岩石模型的钻孔沿着扩展方向布置6 个均匀监测点，监测点相距均为10 mm，分别研究2 MPa、3 MPa、4 MPa 和5 MPa的应力梯度曲线，不同应力差下的应力梯度曲线如图3 所示。

图3 不同应力差下应力梯度曲线

从图3 可以看出，不同应力差下的应力梯度均呈现离钻孔越近，应力值越大，反之越远，应力值越小。当水平应力差为2 MPa 时，此时在孔壁位置的应力值为5.17 MPa，随着距离的不断增大，岩石内部应力值快速下降，当距离钻孔壁的距离为50 mm 时，此时的应力差为3.43 MPa，应力降低了1.74 MPa。水平应力差为3 MPa、4 MPa 和5 MPa 时钻孔壁至距离钻孔50 mm 距离时应力差分别降低了2.03 MPa、4.21 MPa 和4.32 MPa。由此可以看出，随着应力差的不断增大，此时的相同距离下岩石的应力下降速度呈现逐步增大的趋势。这是由于随着水平应力差的增加，此时在岩石钻孔壁的切应力也在逐步增大，而随着液体的流失及能量的做功，使得应力呈现下降趋势，且下降幅度逐渐增大。

对不同压裂液黏度下岩石的特征进行模拟，选定压裂液黏度分别为1 mPa·s、10 mPa·s、40 mPa·s、70 mPa·s 和100 mPa·s，不同压裂液黏度下裂缝宽度进行分析，不同压裂液黏度下裂缝宽度曲线，如下页图4 所示。

从图4 中可以看出，随着压裂液黏度的不断增加，此时裂缝宽度呈现逐步增大的趋势，当压裂液黏度为1 mPa·s 时，此时的裂缝宽度为0.115 mm，当压裂液黏度增大至100 mPa·s 时，此时的宽度最大为0.211 mm，这是由于随着压裂液黏度的增大，岩石内部孔隙滤失效果大幅度降低，能量消耗主要为滤失及裂缝扩展，由于黏度的增大，岩石的滤失效果大幅度降低，从而原本用于滤失的能量用于裂缝扩展，所以裂缝宽度呈现逐步增大的趋势。

图4 不同黏度下裂缝宽度曲线

4 结论

1）水力压裂下裂缝沿着预制尖端出现扩展，随后随着应力环境的改变出现偏转，裂缝的偏转方向为最大主应力方向。

2）通过数值模拟研究，随着水平应力差及压裂液黏度的增大，岩石的裂缝扩展宽度呈现逐步增大的趋势，且增大的趋势逐步降低。

3）通过对不同应力差下应力梯度曲线进行分析，发现应力梯度均呈现离钻孔越近，应力值越大，反之离钻孔越远，应力值越小。