水力压裂对沿空留巷的泄压效应研究
2020-07-03戎冬冬华明国
戎冬冬，华明国
(潞安集团 余吾煤业公司，山西 长治 046103)
瓦斯抽采是煤矿利用瓦斯资源及防治瓦斯灾害的根本方法，而对于低渗透性煤层，常规的钻孔抽采方法效果不佳，必须采取增透措施[1-3]。水力压裂是卸压增透的主要技术之一[4]，国内外很多学者都对水力压裂技术进行了研究。马耕等[5]采用水力压裂试验系统，进行了水力压裂物理模拟试验，借助煤岩断面三维扫描系统、位移计提取了水力裂缝信息，研究了地应力对破裂压力和水力裂缝影响；林柏泉等[6-7]采用理论分析和现场试验的方法，研究了脉动压力在裂隙中的传播规律以及卸压增透效果，获得了水力压裂过程中裂隙起裂及扩展过程的动态变化特征；张小东等[8]采用数值分析的方法探讨了研究区煤层气井水力压裂后的裂缝形态与裂缝展布规律，提出了研究区煤层气井压裂过程中的综合滤失系数计算方法。但上述大多都是研究水力压裂后裂隙扩展规律，而实际上水力压裂卸压是通过向顶板注入高压水，使顶板局部岩层裂隙张开，甚至形成新的裂隙，使这部分岩体的力学属性发生显著改变，造成老顶岩层属性的非均匀分布[9]。在回采过程中，利用老顶岩层属性的非均匀分布来改变煤柱的应力分布特征[10-13]。采用这种技术措施后，通过有效降低强烈采动巷道周围的煤壁应力，达到减少巷道变形，降低维护成本，增加其安全性的目的[14-16]。本文采用数值模拟的方法揭示水力压裂对沿空留巷的泄压效应规律，为回采巷道围岩采用水力压裂泄压的应用提供理论基础。
1 水力压裂对围岩应力分布影响数值模拟
1.1 数值模型建立
为了研究老顶水力压裂对煤层应力分布的影响，以潞安集团余吾煤矿的地质和开采技术条件为基础，建立了三维模型，模型尺寸为220 m(宽：平行工作面方向)×300 m(长：沿回采方向)×95 m(高)，如图1所示。
图1 工作面开采三维模型
模型平面布置如图2所示。其中沿模型宽度方向包括如下几部分：工作面长100 m，巷道宽5 m，煤柱30 m，工作面前方80 m。模型四个侧面和底面均为固定位移边界条件，模型顶面边界为应力边界条件。模型长度方向包括顶板未压裂区域170 m，顶板压裂区域120 m。
图2 模型平面
为了更好地展现模拟结果，同时采用平面应变模型进行了平行研究和对比[17]。经对照后发现，三维模拟的结果与二维模型吻合度很高，因此采用二维模型进行了拓展研究。二维平面应变模型如图3所示。二维平面应变模型在宽度和高度上与三维模型完全一致。
图3 二维平面应变模型
1.2 参数设置
本文所建立的数值模型涉及岩层范围大，主要从宏观角度考察工作面的应力再分配特征，因此模型所划分的单元网格比较大，顶板和底板岩层属性无法全部按照细分层属性分配，部分岩层采用按厚度折算力学的参数，该参数代表顶板和底板岩层的平均属性。按照图3给出的岩层柱状，总结现场实测数据以及公开的类似岩层测试资料，确定岩层和节理属性如表1和表2所示。
表1 岩层属性参数
1.3 模拟方案
三维模拟主要是为了揭示顶板压裂区域对煤层应力分布造成的影响。在三维模型中，顶板压裂范围的横向截面(沿工作面方向)和纵向截面(沿开采推进方向)分别如图4和图5所示。按照现场采用的压裂方法和经验估算，压裂影响范围宽度按20 m计算，压裂设计高度为19 m，对压裂区域内岩层的弹性模量和强度参数进行了折减，研究局部岩层属性改变对回采应力的作用效果。
图4 顶板压裂范围横截面
二维平面应变模型包括三个子模型：正常开采模型，顶板压裂宽度20 m，顶板压裂宽度30 m(等于煤柱宽度)。如图6所示。
图5 顶板压裂范围纵向截面
图6 顶板压裂模型
2 模拟结果及分析
2.1 水力压裂对巷道应力状态影响的三维模拟结果
当工作面回采后，三维模型得到的煤层应力分布如图7所示。从图7可以看出，水力压裂区域煤柱区域应力分布与未压裂区域有比较明显的差异，主要表现为：在水力压裂段，煤柱中心的高应力区范围比较窄，而未压裂段的高应力区比较宽。其中煤柱高应力区最宽的区域大约位于水力压裂起始线后方60 m，超过60 m的未压裂区，煤柱高应力区略微收窄。为了更清楚地比较顶板压裂对煤层应力分布(特别是煤柱)的影响，在图7中用黑色直线画出了三条应力监测线，对三条监测线上的应力进行取样，绘制成折线图。其中取样线1表示为进行压裂的正常开采条件；取样线2表示紧跟在压裂区域后方的未压裂区域；取样线3表示压裂区域。
图7 邻近工作面采后煤层应力分布
三条取样线的应力监测结果如图8所示。由于本研究重点考虑的是应力分布变化对巷道安全性的影响，为此进一步缩小了应力对比的范围。图9给出了巷道两侧60 m范围内的煤体应力分布。
图8 煤层应力分布曲线
图9 巷道两侧煤层应力分布曲线
从图7可以看到，除了煤柱中间区域，不同取样线的应力监测结果相差很小。这说明顶板水力压裂泄压措施的确可以影响煤层应力分布，但其影响范围是局部性的。从图9可以更清楚的看到，取样线3所在的顶板压裂区域，煤柱中间应力有明显的降低；取样线1和取样线2均处于未压裂区域，但取样线2所处位置临近顶板压裂区域，所以取样线2对应的煤柱中间应力要略高于取样线1处。根据上述模拟结果，可以得到初步结论：
1) 老顶形成的压裂区域对煤层应力分布有比较明显的影响。
2) 顶板压裂区的煤柱中间受力明显降低，对保持留巷的安全性有利。这说明合理使用水力压裂技术可以达到改善留巷安全性的目的。
3) 紧临压裂区域的后方煤柱应力出现略微的升高，对保持留巷的安全性不利。这意味着在选择压裂区域的起始位置以及压裂区域的设计上，应当充分考虑现场的生产条件，避免在地质条件较差的区域开始实施压裂技术，这会导致该区域的安全条件更加恶化。
2.2 压裂对留巷应力状态影响的二维模拟
2.2.1 垂直应力分布结果与分析
图10给出了二维平面应变模型得到的模拟结果，从整体上看与三维模型得到模拟结果非常接近。但由于二维模型在单元划分上更为精细，所以其呈现的曲线更加光滑。
图10 煤层垂直应力分布
从图10看到，不同顶板处理条件下，煤柱中心部分的应力展现出了明显差异。未压裂区域的煤柱应力最大；顶板压裂范围20 m时，煤柱中心应力明显下降；顶板压裂范围30 m时，煤柱中心应力有更大幅度的下降。三种情况下，比较采空区的平均应力可知，采用顶板压裂措施能够导致煤柱应力转移。
图11给出了留巷两侧煤层应力分布。三种情况下，留巷左侧煤柱平均应力分别呈现：未压裂区域，煤柱平均应力27.2 MPa；压裂范围20 m，煤柱平均应力26.8 MPa；压裂范围30 m时，煤柱平均应力26.5 MPa。这说明顶板压裂区域对煤柱应力分布有明显的影响，并且随着压裂范围的增加煤柱上承担的压力逐渐减少。
2.2.2 塑性区分布结果与分析
图12-14分别给出了三种情况下，留巷两侧煤层的塑性区状况。三种情况下，留巷两侧的塑性区发生了显著的变化。
图12 留巷两侧塑性区分布(未压裂区)
图13 留巷两侧塑性区分布(压裂范围20 m)
图14 留巷两侧塑性区分布(压裂范围30 m)
未压裂时的塑性区分布与压裂20 m时的塑性区分布主要差别在于：顶板压裂导致煤柱中心塑性区明显减少，留巷外侧实体煤中的塑性区有所增加。这说明压裂顶板导致垂直应力从煤柱向留巷外侧实体煤方向转移，从而导致煤柱塑性区减少，留巷外侧塑性区有所扩大。结合应力分析结果来看，在煤柱上方压裂顶板压裂20 m时，将致使煤柱应力减少，减少的载荷部分由采空区承担，部分转移至留巷外侧的实体煤部分。
未压裂时的塑性区分布与压裂30 m时的塑性区分布主要差别在于：顶板压裂导致煤柱中心塑性区明显减少，留巷靠近煤柱一侧塑性区明显减少。这说明顶板压裂长度增加后，煤柱上的应力进一步得到降低，应力变化区蔓延到留巷围岩附近，影响到了围岩的塑性区。结合应力分析结果来看，在煤柱上方压裂顶板压裂30 m时，将导致煤柱应力进一步减少，减少的载荷部分由采空区承担，部分转移至留巷外侧的实体煤部分。
压裂20 m时的塑性区分布与压裂30 m时的塑性区分布主要差别在于：压裂范围从20 m增加到30 m后，煤柱的塑性区减少幅度更大，特别是减少了留巷两侧附近的塑性区，这样的结果对保证留巷安全条件非常有利。这说明增加煤柱上方的压裂范围，能够进一步增强应力转移效果，同时能够在应力转移过程中避免留巷附近产生应力集中现象。
2.2.3 沿空留巷围岩位移结果与分析
图15-17分别给出了三种情况下，巷道围岩位移分布情况。在未压裂顶板的情况下，工作面回采后，留巷的最大位移为108.6 mm；在煤柱上方压裂顶板压裂20 m时，留巷的最大位移为103.5 mm；在煤柱上方压裂顶板压裂30 m时，留巷的最大位移为101.3 mm。
图15 留巷围岩位移分布(未压裂区)
图16 留巷围岩位移分布(压裂范围20 m)
图17 留巷围岩位移分布(压裂范围30 m)
3 结 语
1) 卸压下数值模拟研究结果表明，老顶形成的压裂区域对煤层应力分布有比较明显的影响。对煤层顶板采用水力压裂进行泄压之后，将对煤岩层采动应力分布产生影响，压裂区域周围煤岩体采动应力将重新分布。
2) 合理使用水力压裂技术，顶板压裂区的煤柱中间受力明显降低，紧临压裂区域的后方煤柱应力出现略微的升高，对保持留巷的安全条件不利。这意味着在选择压裂区域的起始位置以及压裂区域的设计上，应当充分考虑现场的生产条件，避免在地质条件较差的区域开始实施压裂技术，这可能局部恶化该区域安全条件，因此需要谨慎选择顶板压裂区的开始位置。
3) 顶板压裂范围对应力转移效果有明显的影响，增加顶板压裂宽度，能够增强应力转移效果。具体设计参数需要根据生产地质条件决定。在煤柱上方压裂顶板范围达到煤柱宽度时，能够显著降低煤柱的载荷，减小留巷围岩的塑性破坏区范围大小，降低围岩位移。
