定向水力致裂坚硬顶板的实践资料

1、定时壬攵条:硬贝阪1煤矿开采杂志2gl4年弟二期1-uU石止向水力致裂原理水力致裂原理是通过在层中进行预先切槽切槽处在高压水的作用下应力值和应变值急剧增加当应力和应变超过一止值时石就会开裂则顶板就会被压裂0止向水力致裂技术的关键在于预先切槽由于在致裂部位产生了内嵌楔形槽高压水在开槽部位会产生应力集中尖端应力值(Tmax1和应变值1max急剧增加0高压泵流县里大小也是影响水力致裂效果的重要指标0根据经验通常要求高压泵流县里不台匕目匕低于80L/min否则会减小致裂范围而降低致裂效率02坚硬顶板止向水力致裂数值模拟FLAC软件是一种工程力学计算的显式有限差分程序主要模拟土、-uU石等材料的力学行为

2、内部含有多个力学模型如弹性模型、摩尔?C库伦模型0不但可以模拟-uU石的线性问题也可以模拟-uU石的非线性问题0RFPA数值模拟是一种基于有限元应力分析和统计损伤理论的材料破裂过程计算方法台匕目匕够模拟材料渐进破裂直至失稳全过程的数值试验工具0针对模拟目的的不同选择适合的数值模拟方法本文采用FLAC2D）模拟围的应力集中程度采用RFPA2D模拟石的裂纹扩展情况02.1模型建立采用FLAC2D）建立一维模拟模型模型尺寸为60()mm(700)mm模型共分伸乂100的网格本构模型采用弹性模型钻孔直径42mm0模型上表面施加均匀的垂直压应力(施加应力值采用深度为400m地应力实测值101MPa模型两

3、侧面施加随深度变化的水平压应力水平压应力根据侧压系数进行计算后到)模型下表面垂直位移和模型侧面水平位移周止02.2模拟结果分析注水刖钻孔切槽尖端的应力分布云图和钻孔水平沿监测线垂直应力分布曲线见图1所示0从图中可以看出注水刖钻孔切槽部位形成了压应力集中应力集中系数达到33.50注水后(注水压力为151APa)钻孔尖端的应力分布云图和钻孔水平沿监测线垂直应力见图2所示0从图中可以看出由于切槽的尖端效应注水后形成拉应力集中集中系数达到33.50为了进一步分析水力致裂裂纹扩展情况采用RFPA2D数值模拟软件模拟在顶板-uU层中进行止向水力致裂时裂纹扩展情1况裂纹扩展示息图见图3所示0从图3中可以看出

4、首先在钻孔切槽附近形成裂纹随着压裂时问的延长裂纹逐渐向外扩展扩展方向沿着切槽方向正是由于切槽效应较小的水压即可形成大范围的裂纹扩展不但提高了致裂效率也大大降低了致裂成本03坚硬顶板水力致裂工业性试验3.1试验地占八、与钻孔布置本次工业性试验地占八、为煤峪口煤矿410盘区81()08工作面的回风巷和运输巷0开孔位置距顶板20030(0mm钻孔长度为30m孔问距为20m仰角100钻孔水平投影与巷道夹角为700钻孔直径为?38mm0钻孔布置见图4所示0压裂地占八、顶板-uU石抗拉强度为9.32MPa抗压强度120MPa垂直主应力5.5MPa最大水平主应力7.71MpJ,最小水平主应力为4.65iMP

5、10根据工作面顶板层的特回风巷布置止向水力致钻孔两侧钻孔涌水情况水情况分析水力致裂裂3.2试验机具与设备开为38mm成孔直径42mm孔(预裂爆破)这样封隔器主要是对开槽保持较高的压力该封行封孔还可以进行不到一个钻孔多次压裂的注水压力合理选取高是影响水力致裂效果的裂缝产生所需的破裂压为P=1.3X(9.32+-465)=1,3.2。MPa路和泵站存在一止的工的抗拉强度和地应力数证压力留有一止余县里压力为351MPa0综合考虑矿井实乐条件等因素占八、在工作面运输巷与裂钻孔实时监测致裂通过观测两侧钻孔涌隙r展范围0凿设备K()38钻头的直径该钻孔小于传统的钻有利于提高钻进效率0处进行封孔从而使水隔器

6、不但可以较好地进同深度的封孔从而达目的增加压裂效果0压注水泵的压力和流里关键根据弹性理论力计算式此外由于高压注水管作阻力个别区域石值也有差别为了台匕目匕保确止高压注水泵的额止电机功率、设备体积及确止泵的流里为120L/min03.3试验过程首先进行钻孔钻孔占兀成后利用窥视仪设备进行围窥视确止围占兀整区域然后利用切槽钻头在围占兀整区域进行开槽0开槽兀成后采用封隔器对开槽区域进行封孔然后连接封孔设备对封孔器进行注气封孔封孔器中的气压在151MPa左右最后连接高压注水泵安装水压仪对钻孔不同深度的层进行分层压裂04试验结果分析4.1压裂钻孔周围监测孔观测通过监测布置在压裂钻孔两侧的监测钻孔涌水情况来分

7、析裂缝的r展范围0试验时监测孔分别位于致裂孔15m18m,20m23m通过致裂过程观察监测孔涌水情况0当监测孔距离致裂孔15m1和18m1时压裂1015rmin监测孔有大里水涌出;当监测孔距离致裂孔20m时压裂20min左右监测孔的水里有少县里水流出;当监测孔距离致裂孔23m1时压裂30rnin监测孔没有水流出0进行多组同样试验压裂情况与该孔压裂情况基本相同04.2高压泵水压波动曲线分析注水致裂试验过程中记录了2个孔的注水泵压力波动曲线变化曲线见图5、图6所示0从图5可以看出在压裂开始时水压仪压力逐渐上升达到17P/IPa时突然泵压下降这主要由F层开裂卸压导致泵站压力下降随着裂缝广展泵站压力开

8、始保持稳止裂纹慢慢地进一步r展当裂纹r展至周围钻孔时泵站压力开始下降关闭高压泵注水结束0从图6可以看出在高压泵压裂时水压仪监测曲线波动比较明显水压升降剧烈这主要由F层中存在很多裂隙、弱结构当高压水进入裂隙带时泵的水压就会急剧下降反之则会急剧增加04.3工作面来压步距观测该工作面在未进行止向水力致裂以、之，刖属于坚硬难垮落顶板作面顶板的初次来压步距达到了35m1,周期来压步距也达到了26m0来压时工作面有明显的动力现象工作面的支架经常受到冲击破坏巷道加强支护J殳锚杆也出现破断现象0对该工作面进行止向水力致裂以后周期来压步距基本在1316m,来压过程中冲击明显减弱巷道锚杆未见破断现象0综上止向水力致裂技术有效地改善了坚硬顶板的难垮落问题并且由F采用了切槽技术在切槽处形成了应力集中现象所需压力基本低于裂缝r展压力0但是在工程实践过程中也存在一些问题例如封孔困难、压力不足等这些问题有待进一步研究05结论通过对坚硬顶板水力致裂进行数值模拟和:业性试验日出如下结论:(1)在进行水力致裂时切槽可有效降低裂缝破裂所需压力