回采巷道顶板应力场偏转规律数值模拟研究

杨录胜 李鹏 刘正和 伊康 任晓凯

【摘 要】 文章以大同矿区某矿地质条件为研究基础，采用FLAC3D软件对回采巷道顶板应力场进行数值模拟，探讨回采巷道顶板应力场偏转规律。结果表明：回采巷道顶板应力场浅部受采动影响较深部更显著;对于回采巷道超前段，采动影响会使最大主应力方位向工作面长度方向偏转;结合预期压裂方向和压裂裂缝的扩展方向，采动影响导致的应力场偏转对实施轴向预制裂缝定向水力压裂是不利的，压裂与回采的时空关系应充分考虑此效应。

【关键词】 应力场偏转;数值模拟;回采巷道;轴向水力压裂

【中图分类号】 TD315 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）03-0010-04 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

煤矿坚硬顶板定向水力压裂切顶减小护巷煤柱宽度或沿空留巷、沿空掘巷的巷旁支撑压力时，切顶工作往往是在工作面超前区域回采巷道顶板内进行，该处受采动影响后的应力场会发生变化。水力裂缝的扩展方向、压裂钻孔间距与顶板岩层应力状态密切相关，可见，应力的变化影响着压裂效果。因此，探讨工作面超前部分随采动影响的应力变化规律，对现场压裂切顶与工作面回采的时空关系有着重要的指导意义。

目前，关于应力与水力裂缝形态的关系研究较多，张帆等通过大尺寸真三轴试验，得出当最大水平主应力和垂向应力相近且远大于最小水平主应力时，易形成复杂的裂缝形态。龚迪光等采用ABAQUS数值模拟手段，发现增加水平地应力差值有助于水力压裂裂缝长度增加。严成增等利用FDEM-Flow方法，水力压裂裂隙的起裂和扩展主要由最大主拉应力控制，裂隙在拉应力集中的区域起裂。刘跃东等通过理论分析，发现水压致裂法和巴西劈裂法测量抗拉强度与应力场有关。孟尚志等 开展大尺寸真三轴水力压裂试验，发现水力裂缝起裂方向受地应力条件及天然弱面共同控制。姜婷婷等对大尺寸原煤进行水力压裂试验，发现较小的地应力差异系数更利于網状裂缝的形成。考佳玮等经过真三轴水力压裂实验，发现高水平地应力差下水力裂缝沿垂直最小主应力方向起裂并扩展成横切缝。文献采用有限元分析手段，得出裂缝起裂压力的变化规律与地应力场类型密切相关。冯彦军等通过资料分析，得出直井水力压裂效果主要受地应力及储层流体可疏导性等因素的控制，但受采动影响后的地应力偏转规律却鲜有研究。因此，以大同矿区某矿地质条件为基础，采用FLAC3D软件，对回采巷道顶板应力场进行数值模拟。通过分析主应力值变化、最大最小主应力比值变化以及最大主应力方位角偏转规律，以期为现场水力压裂切顶提供理论基础。

1工程背景

大同矿区某矿主采11号煤层，层厚4.0m，地层倾角0°～7°，采用一次采全高采煤方法，全部垮落法管理顶板。煤层基本顶为26m厚的砂岩，难以垮落并使回采巷道围岩应力集中，变形剧烈。因拟采用轴向水力压裂法进行切顶卸压护巷，需要探讨受工作面回采影响，上覆岩层应力变化规律。煤岩物理力学参数见表1所示。

2模型建立

采用FLAC3D建立x（工作面长度方向）×y（工作面推进方向）×z（竖直方向）=220×256×73m的数值模型，共137862网格，157630节点。模型底部固支，侧面限制水平位移，顶部施加面力代替覆岩重量，采用摩尔-库伦模型，考虑重力g=9.81m/s2，分别对x：y方向地应力为1∶1，1∶1.5，1.5∶1三种方案进行分析。采用Fish语言控制工作面推进并记录推进距离，采用Table命令记录深度分别为z=5、10、15m处（顶板轴向水力压裂仅针对直接顶以上的厚硬岩层，深度从基本顶底界处开始计算）的水平应力和水平面的剪应力（顶板轴向水力压裂钻孔垂直于顶板布置，仅水平面内的应力会对其压裂效果造成影响），根据表1中的岩石物理力学参数，建立的数值模拟如图1所示。

3结果分析

3.1主应力值变化

随着工作面向前推进，不同层位的最大最小主应力值变化规律如图2所示。

由图2可知，距离煤层不同高度时岩层的最大和最小水平应力变化规律不同，距离煤层顶板较浅部曲线曲率变化较大，最大主应力值多呈增大-减小-再增大变化，最小主应力值变化也较为剧烈，这表明对于主应力值，顶板浅部受采动影响较深部更显著。当x、y方向地应力比值为1∶1时，曲线曲率及主应力值较其余方案明显较大，这表明地应力分布相对均匀的地区，进行水力压裂设计时更需要考虑工作面回采的影响。当x、y方向地应力比值为1∶1.5时，超前段回采巷道顶板最大主应力与最小主应力差值不断减小，而x、y方向地应力比值为1.5∶1时，差值不断增大，这表明采动影响会使超前段回采巷道顶板沿工作面长度x方向的地应力分量增大。

3.2最大最小主应力比值变化

由监测结果可知，最大最小主应力比值变化规律如图3所示。

由图3可知，除x、y方向地应力比值为1∶1.5方案外，顶板较浅部曲线曲率变化较大，最大最小主应力比值呈增大-减小-再增大变化，这表明对于最大最小应力比值，若沿工作面长度x方向的地应力不是明显较大的情况下，顶板浅部受采动影响较深部更显著。对于x、y方向地应力比值为1∶1和1.5∶1的两方案，最大最小主应力比值变化规律相似，较浅部（z=5，10m）比值呈增大-减小-再增大变化，较深部呈增大-减小变化;对于x、y方向地应力比值为1.5∶1的方案，顶板不同深度的比值变化规律均相同，均为减小-增大-再减小变化，这再次表明采动影响会使超前段回采巷道顶板沿工作面长度x方向的地应力分量增大，使得工作面长度方向地应力较大的巷道顶板应力在超前段分布更均匀。

3.3最大主应力方位角偏转规律

以最大主应力方位角偏转规律来描述地应力偏转规律，其定义如图4所示。利用Fish语言将测点水平面（xy平面）内的σx、σy、τxy记录在Table中，转换正负号（FLAC3D与岩石力学对应力符号的规定不同）后利用应力转轴公式求解最大主应力σ1、最小主应力σ3、最大主应力方位角α。最大主应力方位角偏转规律如图5所示。

由图5可知，顶板较浅部曲线曲率变化较大，这表明对于最大主应力方位角，顶板浅部受采动影响较深部更显著。当x、y方向地应力比值为1∶1时，较浅部（z=5，10m）最大主应力方位角均经历了减小-增大-再减小的过程，在0°上下波动幅度较大，较深部（z=1m）偏转角不断增大且均为正值;当x、y方向地应力比值为1∶1.5时，不同深度处的最大主应力方位角均经历了减小-增大的过程，且均大于70°;当x、y方向地应力比值为1.5∶1时，不同深度处的最大主应力方位角均经历了增大-减小的过程，在0°上下波动幅度较小，这表明应力分布较均匀的地区，其地应力方向受采动影响更显著，而地应力方向较明显的区域，在采动影响时偏转幅度有限。除x、y方向地应力比值为1.5∶1方案偏离0°较小外，超前段回采巷道顶板最大主应力方位均向0°方向偏转，这再次表明采動影响会使超前段回采巷道顶板沿工作面长度x方向的地应力分量增大，结合预期的压裂方向（工作面推进y方向）以及压裂裂缝的扩展方向（最大主应力方向），表明采动影响导致的应力场偏转对实施轴向水力压裂是不利的。

4结论

（1）对于回采巷道顶板主应力值，最大最小主应力比值，以及最大主应力方位角，顶板浅部受采动影响较深部更显著。

（2）对于回采巷道超前段，采动影响会使顶板沿工作面长度方向的地应力分量增大，使得最大主应力方位向此方向偏转。

（3）结合预期的压裂方向（工作面推进y方向）以及压裂裂缝的扩展方向（最大主应力方向），采动影响导致的应力场偏转对实施轴向水力压裂是不利的，进行压裂设计时应充分考虑此效应。

【参考文献】

[1]董云胜，李鹏.煤矿回采顺槽沿空留巷技术的应用[J].山西能源学院学报，2017，30（01）：12-13，20.

[2]赵永明.煤矿综放开采沿空留巷围岩控制技术[J].山西能源学院学报，2017，30（03）：16-17.

[3]黄炳香，程庆迎，刘长友，等.煤岩体水力致裂理论及其工艺技术框架[J].采矿与安全工程学报，2011，28（2）：167-113.

[4]龚迪光，曲占庆，李建雄，曲冠政，曹彦超，郭天魁.基于ABAQUS平台的水力裂缝扩展有限元模拟研究[J].岩土力学，2016，37（05）：1512-1520.

[5]严成增，郑宏，孙冠华，葛修润.基于FDEM-Flow研究地应力对水力压裂的影响[J].岩土力学，2016，37（01）：237-246.

[6]刘跃东，林健，冯彦军，司林坡.基于水压致裂法的岩石抗拉强度研究[J].岩土力学，2018，39（05）：1781-1788.

[7]孟尚志，侯冰，张健，等.煤系“三气”共采产层组压裂裂缝扩展物模试验研究[J].煤炭学报，2016，41（01）：221-227.

[8]姜婷婷，张建华，黄刚.煤岩水力压裂裂缝扩展形态试验研究[J].岩土力学，2018，39（10）：3677-3684.

[9]考佳玮，金衍，付卫能，等.深层页岩在高水平应力差作用下压裂裂缝形态实验研究[J].岩石力学与工程学报，2018，37（06）：1332-1339.

[10]冯彦军，康红普.水力压裂起裂与扩展分析[J].岩石力学与工程学报，2013，32（S2）：3169-3179.

[11]吴雅琴，邵国良，杨艳磊，等.郑庄区块高煤阶储层直井水力压裂参数评价研究[J].煤炭科学技术，2016，44（09）：172-177.