1、定時壬攵條:硬貝阪1煤礦開采雜志2gl4年弟二期1-uU石止向水力致裂原理水力致裂原理是通過在層中進行預先切槽切槽處在高壓水的作用下應力值和應變值急劇增加當應力和應變超過一止值時石就會開裂則頂板就會被壓裂0止向水力致裂技術(shù)的關(guān)鍵在于預先切槽由于在致裂部位產(chǎn)生了內(nèi)嵌楔形槽高壓水在開槽部位會產(chǎn)生應力集中尖端應力值(Tmax1和應變值1max急劇增加0高壓泵流縣里大小也是影響水力致裂效果的重要指標0根據(jù)經(jīng)驗通常要求高壓泵流縣里不臺匕目匕低于80L/min否則會減小致裂范圍而降低致裂效率02堅硬頂板止向水力致裂數(shù)值模擬FLAC軟件是一種工程力學計算的顯式有限差分程序主要模擬土、-uU石等材料的力學行為

2、內(nèi)部含有多個力學模型如彈性模型、摩爾?C庫倫模型0不但可以模擬-uU石的線性問題也可以模擬-uU石的非線性問題0RFPA數(shù)值模擬是一種基于有限元應力分析和統(tǒng)計損傷理論的材料破裂過程計算方法臺匕目匕夠模擬材料漸進破裂直至失穩(wěn)全過程的數(shù)值試驗工具0針對模擬目的的不同選擇適合的數(shù)值模擬方法本文采用FLAC2D）模擬圍的應力集中程度采用RFPA2D模擬石的裂紋擴展情況02.1模型建立采用FLAC2D）建立一維模擬模型模型尺寸為60()mm(700)mm模型共分伸乂100的網(wǎng)格本構(gòu)模型采用彈性模型鉆孔直徑42mm0模型上表面施加均勻的垂直壓應力(施加應力值采用深度為400m地應力實測值101MPa模型兩

3、側(cè)面施加隨深度變化的水平壓應力水平壓應力根據(jù)側(cè)壓系數(shù)進行計算后到)模型下表面垂直位移和模型側(cè)面水平位移周止02.2模擬結(jié)果分析注水刖鉆孔切槽尖端的應力分布云圖和鉆孔水平沿監(jiān)測線垂直應力分布曲線見圖1所示0從圖中可以看出注水刖鉆孔切槽部位形成了壓應力集中應力集中系數(shù)達到33.50注水后(注水壓力為151APa)鉆孔尖端的應力分布云圖和鉆孔水平沿監(jiān)測線垂直應力見圖2所示0從圖中可以看出由于切槽的尖端效應注水后形成拉應力集中集中系數(shù)達到33.50為了進一步分析水力致裂裂紋擴展情況采用RFPA2D數(shù)值模擬軟件模擬在頂板-uU層中進行止向水力致裂時裂紋擴展情1況裂紋擴展示息圖見圖3所示0從圖3中可以看出

4、首先在鉆孔切槽附近形成裂紋隨著壓裂時問的延長裂紋逐漸向外擴展擴展方向沿著切槽方向正是由于切槽效應較小的水壓即可形成大范圍的裂紋擴展不但提高了致裂效率也大大降低了致裂成本03堅硬頂板水力致裂工業(yè)性試驗3.1試驗地占八、與鉆孔布置本次工業(yè)性試驗地占八、為煤峪口煤礦410盤區(qū)81()08工作面的回風巷和運輸巷0開孔位置距頂板20030(0mm鉆孔長度為30m孔問距為20m仰角100鉆孔水平投影與巷道夾角為700鉆孔直徑為?38mm0鉆孔布置見圖4所示0壓裂地占八、頂板-uU石抗拉強度為9.32MPa抗壓強度120MPa垂直主應力5.5MPa最大水平主應力7.71MpJ,最小水平主應力為4.65iMP

5、10根據(jù)工作面頂板層的特回風巷布置止向水力致鉆孔兩側(cè)鉆孔涌水情況水情況分析水力致裂裂3.2試驗機具與設備開為38mm成孔直徑42mm孔(預裂爆破)這樣封隔器主要是對開槽保持較高的壓力該封行封孔還可以進行不到一個鉆孔多次壓裂的注水壓力合理選取高是影響水力致裂效果的裂縫產(chǎn)生所需的破裂壓為P=1.3X(9.32+-465)=1,3.2。MPa路和泵站存在一止的工的抗拉強度和地應力數(shù)證壓力留有一止余縣里壓力為351MPa0綜合考慮礦井實樂條件等因素占八、在工作面運輸巷與裂鉆孔實時監(jiān)測致裂通過觀測兩側(cè)鉆孔涌隙r展范圍0鑿設備K()38鉆頭的直徑該鉆孔小于傳統(tǒng)的鉆有利于提高鉆進效率0處進行封孔從而使水隔器

6、不但可以較好地進同深度的封孔從而達目的增加壓裂效果0壓注水泵的壓力和流里關(guān)鍵根據(jù)彈性理論力計算式此外由于高壓注水管作阻力個別區(qū)域石值也有差別為了臺匕目匕保確止高壓注水泵的額止電機功率、設備體積及確止泵的流里為120L/min03.3試驗過程首先進行鉆孔鉆孔占兀成后利用窺視儀設備進行圍窺視確止圍占兀整區(qū)域然后利用切槽鉆頭在圍占兀整區(qū)域進行開槽0開槽兀成后采用封隔器對開槽區(qū)域進行封孔然后連接封孔設備對封孔器進行注氣封孔封孔器中的氣壓在151MPa左右最后連接高壓注水泵安裝水壓儀對鉆孔不同深度的層進行分層壓裂04試驗結(jié)果分析4.1壓裂鉆孔周圍監(jiān)測孔觀測通過監(jiān)測布置在壓裂鉆孔兩側(cè)的監(jiān)測鉆孔涌水情況來分

7、析裂縫的r展范圍0試驗時監(jiān)測孔分別位于致裂孔15m18m,20m23m通過致裂過程觀察監(jiān)測孔涌水情況0當監(jiān)測孔距離致裂孔15m1和18m1時壓裂1015rmin監(jiān)測孔有大里水涌出;當監(jiān)測孔距離致裂孔20m時壓裂20min左右監(jiān)測孔的水里有少縣里水流出;當監(jiān)測孔距離致裂孔23m1時壓裂30rnin監(jiān)測孔沒有水流出0進行多組同樣試驗壓裂情況與該孔壓裂情況基本相同04.2高壓泵水壓波動曲線分析注水致裂試驗過程中記錄了2個孔的注水泵壓力波動曲線變化曲線見圖5、圖6所示0從圖5可以看出在壓裂開始時水壓儀壓力逐漸上升達到17P/IPa時突然泵壓下降這主要由F層開裂卸壓導致泵站壓力下降隨著裂縫廣展泵站壓力開

8、始保持穩(wěn)止裂紋慢慢地進一步r展當裂紋r展至周圍鉆孔時泵站壓力開始下降關(guān)閉高壓泵注水結(jié)束0從圖6可以看出在高壓泵壓裂時水壓儀監(jiān)測曲線波動比較明顯水壓升降劇烈這主要由F層中存在很多裂隙、弱結(jié)構(gòu)當高壓水進入裂隙帶時泵的水壓就會急劇下降反之則會急劇增加04.3工作面來壓步距觀測該工作面在未進行止向水力致裂以、之，刖屬于堅硬難垮落頂板作面頂板的初次來壓步距達到了35m1,周期來壓步距也達到了26m0來壓時工作面有明顯的動力現(xiàn)象工作面的支架經(jīng)常受到?jīng)_擊破壞巷道加強支護J殳錨桿也出現(xiàn)破斷現(xiàn)象0對該工作面進行止向水力致裂以后周期來壓步距基本在1316m,來壓過程中沖擊明顯減弱巷道錨桿未見破斷現(xiàn)象0綜上止向水力致裂技術(shù)有效地改善了堅硬頂板的難垮落問題并且由F采用了切槽技術(shù)在切槽處形成了應力集中現(xiàn)象所需壓力基本低于裂縫r展壓力0但是在工程實踐過程中也存在一些問題例如封孔困難、壓力不足等這些問題有待進一步研究05結(jié)論通過對堅硬頂板水力致裂進行數(shù)值模擬和:業(yè)性試驗日出如下結(jié)論:(1)在進行水力致裂時切槽可有效降低裂縫破裂所需壓力