坚硬顶板定向水力压裂技术应用研究

崔岩兵

摘 要：为了解决矿井坚硬顶板难垮难落的问题，本文以马兰矿为研究背景，利用COMSOL数值模拟软件对不同水平应力差及不同预制裂缝角下岩石的起裂压力进行研究，发现随着水平应力差的增大，岩石的起裂压力呈现出减小的趋势，同时随着预制裂缝角的增大，岩石的起裂压裂逐步增大，为解决坚硬顶板作出一定的借鉴。

关键词：数值模拟;起裂压力;水平应力差;坚硬顶板

1 前言

矿井开采进程中，坚硬难垮顶板一直是困扰矿井安全开采的难题。坚硬难垮顶板是由坚硬的砾岩、石灰岩和砂岩等坚硬岩体形成厚而坚硬的岩层，存在于直接顶上方。上覆岩层坚硬难垮落顶板会随着工作面的推进易形成面积较大的悬顶，大面积悬顶一旦垮落将产生巨大的冲击载荷，诱发压架事故，在采用无煤柱开采的沿空留巷，大面积的悬顶将会对巷道俩旁的岩体产生较大的载荷，诱发巷道变形，使矿山的维护成本增加。所以对坚硬顶板进行切顶卸压是十分必要的，此前闫少宏等人研究提出了人工切槽注高压水，人为的将坚硬老顶分层，来达到降低坚硬顶板的强度的目的，并且分析了水力压裂的机理、水力压裂的扩展机理和裂缝扩展的条件与方向。本文利用数值模拟软件对不同压裂参数下岩石的起裂及扩展进行研究，为巷道围岩控制提供一定的参考。

2 岩石压裂模型建立

岩石的水力压裂过程是指将高压水注入事先预制号的钻孔内部，通过注入高压水使得钻孔内部形成水压聚集，当钻孔内部的高压水压力超过岩石的断裂强度，岩石发生起裂，在钻孔壁形成垂直于钻孔及平行于钻孔的裂缝，在高压水的持续注入下，岩石起裂的裂缝进一步发生扩展，直至压力稳定，水力压裂过程结束。但由于裂缝扩展及起裂仍具有一定的无规则性，后续研究提出定向水力压裂，在岩石预先打好的钻孔内进行预制裂缝，以达到裂缝沿着预先给定尖端发生扩展的目的。定向水力压裂模型示意图如图1所示。

如图1所示，α为预制裂缝角，°（预制角度与最大水平主应力的夹角）;бH为最大水平主应力，MPa;бh为最小水平主应力，MPa。为了对岩石的压裂过程进行研究，首先进行数值模拟建模，模型的尺寸选定为300mm*300mm，在岩石的中心钻取直径25mm的钻孔，并给定预制裂缝角，对模型的参数进行设定，模型的参数设定参照坚硬顶板岩性进行选定，本文选定为砂岩，完成模型参数设定后，对模型进行约束及应力的设定，固定模型XY方向的位移，在模型内部施加注液压力，在模型的X方向施加最大水平主应力7MPa，模型的Y方向施加最小水平主应力，本文模拟不同应力差下岩石内部应力分布情况，应力差的改变利用最小水平主应力的变化来实现。

3 模拟结果分析

模型模拟云图如图2所示。

如图2可以看出，当预制裂缝角度为90°时，应力云图呈现对称分布的特征，在钻孔边缘形成蝴蝶形状的应力集中，应力的最大值为9.88MPa，应力峰值出现在预制裂缝的尖端位置，此时裂缝沿着岩石的预制尖端发生起裂，随着高压水的持续注入，裂缝发生扩展，扩展的方向沿着最大主应力方向，这是由于最大主应力对岩石的扩展起到约束作用，岩石发生起裂后，裂缝沿着最容易扩展的方位进行扩展即最大主应力方向，同时由于本文模型的参数设定呈现出对称分布的特征，所以最终裂缝形态应当呈现出对称分布的S型裂缝。

对不同应力差下岩石的起裂压力进行研究，选定应力差分别为2MPa、3MPa、4MPa、5MPa及6MPa的情况进行模拟。随着水平应力差的增大，岩石的起裂压力呈现逐步减小的趋势，当水平应力差为2MPa时，此时岩石的起裂压力为9.88MPa，当水平应力差增大至3MPa时，此时岩石的起裂压力减小至9.14MPa，较水平应力差2MPa时起裂压力减小了0.74MPa，减小的幅度为7.49%;当水平应力差增大至4MPa时，此时岩石起裂压力为8.32MPa，较水平应力差2MPa时起裂压力减小了1.56MPa，减小的幅度为15.79%;当水平应力差增大至5MPa时，此时岩石的起裂压力减小至7.82MPa，较水平应力差2MPa时起裂压力减小了2.06MPa，减小的幅度为20.85%;当水平应力差增大至6MPa时，此时岩石起裂压力为7.14MPa，较水平应力差2MPa时起裂压力减小了2.74MPa，减小的幅度为27.73%。这是由于随着水平应力差的增大，岩石预制裂缝尖端受到的剪切应力越大，岩石沿预制裂缝尖端起裂需要的应力越小。

对不同预制裂缝角度下岩石的起裂压力进行研究，选定预制裂缝角分别为15°、30°、45°、60°、75°和90°的情况进行模拟，选定水平应力差2MPa进行研究，将起裂压力进行汇总如图3所示。

根据图3可以看出，随着预制裂缝角的增大，岩石的起裂压力呈现逐步增大的趋势，当预制裂缝角为15°时，此时岩石的起裂压力为7.12MPa，当预制裂缝角增大至30°时，此时岩石的起裂压力增大至7.56MPa，较预制裂缝角为15°时起裂压力增大了0.44MPa，增大的幅度为6.18%;当预制裂缝角为45°时，此时岩石起裂压力为8.03MPa，较预制裂缝角为15°时起裂压力增大了0.91MPa，增大的幅度为12.78%;当预制裂缝角增大至60°时，此时岩石的起裂压力增大至8.66MPa，较预制裂缝角为15°时起裂压力增大了1.54MPa，增大的幅度为21.62%;当预制裂缝角增大为75°时，此时岩石起裂压力为9.24MPa，较预制裂缝角15°时起裂压力增大了2.12MPa，增大的幅度为29.77%;当预制裂缝角增大至90°，巖石的起裂压力为9.88MPa，增大了2.76MPa，增大的幅度为38.7%。这是由于随着岩石的预制裂缝角的增大，岩石预制裂缝尖端受到最大主应力的约束力越强，预制裂缝尖端起裂起裂受到的约束力越大，岩石沿预制裂缝尖端起裂需要的起裂压力越大。

工作面上部覆存的坚硬顶板受到采动的影响使得应力重新分布，最大最小主应力的方向会出现一定的改变与转换，所以为了使压裂裂缝沿着工作面推进方向，需要找到工作面覆岩最佳的压裂位置，达到理想的压裂目的。

4 结论

①为了研究顶板定向压裂裂缝起裂压力情况，本文通过建立二维岩石模型，对不同压裂参数下起裂压力进行研究，给出了模型的建立过程。对不同应力差下岩石的起裂压力进行研究发现，随着水平应力差的增大，岩石的起裂压力呈现出减小的趋势;②对不同预制裂缝角下岩石的起裂压力进行研究发现，随着预制裂缝角的增大，岩石的起裂压力呈现出增大的趋势。