厚硬顶板定向水力压裂数值模拟研究

冯新庆

【摘 要】 本文针对厚硬顶板难以自行垮落等问题，提出采用定向水力致裂技术处理。对定向裂隙的起裂机理、水在定向裂缝中的渗流特点进行了理论分析，同时对定向切槽钻孔和未切槽钻孔中，裂缝的扩展演化过程进行了数值模拟研究，研究结果具有一定的参考价值。

【关键词】 定向水力致裂;裂缝扩展;数值模拟

【中图分类号】 TD713+.33 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）04-0035-02 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

随着开采规模、开采强度的加大，煤炭安全事故频繁产生。其中，在坚硬顶板中，由于顶板难以自行垮落，往往会出现顶板大面积悬空现象，顶板一旦垮落，极易造成压架、飓风伤人、瓦斯超限等问题。采用水力压裂的技术能够有效解决上述问题。采用定向水压致裂技术，使岩层按照预定方向破裂，从而对岩层的破坏进行控制。

1水压致裂裂缝起裂机理

煤岩层本身为不均匀介质，煤层内存在许多原生裂隙，在外力的作用下，会产生许多新生裂隙，两种裂隙均会影响钻孔周围的应力分布，采用水力压裂时，起裂部位首先发生在裂隙存在的部位。

裂隙存在开型和闭型两种类型，当进行是水压致裂时，高压水进入裂缝中，首先作用于开型裂缝靠近钻孔的一端使其扩展;当水充满裂缝后，在水压和岩石围压的共同作用下，裂缝尖端发生破裂。对于闭型裂缝，在高压水的作用下发生破裂，转化为开型裂缝，进而发生扩展。

2定向裂隙内高压水渗流特点

煤体在进行水压致裂前，内部存在许多原生裂隙，这些孔裂隙用于水、气体的储存、运移等。对煤层进行定向水力压裂，在钻孔内开切槽，形成定向裂缝，向钻孔内注入高压水后，定向裂缝成为高压水的主要渗流通道，同时以此为中心，向四周扩散，使煤层内封闭的原生裂隙扩展，并产生许多新的次生裂隙。

在宏观上，对煤层进行高压注水后，水在其中的渗流主要表现为三个部分：距离钻孔最近的区域，高压水对煤体进行改造，使其原生裂隙扩展，并产生许多新生裂隙，煤体内部水渗透空间增加;定向裂缝中间部位处，水仅在原生裂隙中渗流;在定向裂缝远端，在毛细管力的驱动作用下，水在原生裂隙内迁移。

3裂缝扩展数值模拟研究

根据定向水力致裂的原理，采用RFPA模拟软件对煤层裂隙扩展进行数值模拟，分析定向水力致裂对煤层裂隙扩展的作用效果。

3.1模型建立

因为只研究裂缝的扩展规律，所以建立二维平面应力模型，模型大小为2000mm×2000mm，单元划分个数为400×400，采用Weibull對其力学参数进行赋值。钻孔位于模型的正中央，直径取为60mm。模型初始水压力为2MPa，水平方向加载围压设为10MPa，垂直方向加载围压设为13MPa，高压注水压力增值为1MPa/步。分别建立无切槽和有切槽的计算模型，如图1所示。模型其他参数见表1。

3.2模拟结果分析

根据数值模拟过程，通过利用水压力的分布演化过程，对比分析无切槽和有切槽两种情况下煤体破碎裂缝扩展过程，如图2、3所示。

未切槽时，钻孔内部存在应力集中现象，严重影响了煤层的渗透性，短时间内很难出现裂隙。随着注水压力的增加，钻孔周围慢慢出现了一些微小的裂纹，随着时间的推移，裂隙不断产生和扩展，在水压作用下，逐渐出现较大的宏观裂缝。同时，裂缝相互贯通，出现两条主裂缝，周围出现裂缝网，裂缝扩展方向不易控制。

在切槽钻孔内，由于切槽作用，钻孔周围应力集中区遭到破坏，使得煤层渗透性大大增加，在切槽顶端迅速出现大量的孔裂隙。在注水压力的作用下，裂缝逐渐扩展、延伸并相互贯通，形成较大的裂缝。随着注水压力的增加，裂缝与钻孔相互贯通，同时形成许多裂缝群，大大提高了煤层的渗透性。

通过对比分析可知，相比于未切槽的钻孔，切槽钻孔在采用水力压裂后，裂隙发育速度更快，同时裂缝的扩展方向更容易控制，所需要的注水压力值也较小。所以，采用定向水压致裂技术，能有效达到控制煤层破坏的效果，提高煤层的渗透性和产量。

4结论

文章分析了岩石水力压裂裂隙的起裂机理以及高压水在定向裂缝中的渗流特点，同时对裂缝的扩展演化过程进行了数值模拟研究，得出与未切槽钻孔相比，切槽钻孔的裂缝起裂所需的时间更短，起裂压力更小，同时在一定范围内，可对裂缝的扩展方向进行控制，形成了较多的裂缝，对岩石的破坏作用效果更好。

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