矿井坚硬顶板定向水力压裂技术研究

黄小朋 张鹏鹏 闫耀飞

(太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024)



矿井坚硬顶板定向水力压裂技术研究

黄小朋 张鹏鹏 闫耀飞

(太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024)

为分析定向水力压裂技术在古书院矿153303坚硬顶板工作面中的作用机制，通过 ANSYS 数值分析软件研究在饱和水及自然状态下顶板岩石受载的断裂韧度，得出顶板岩石在饱和水作用下其断裂韧度大幅降低，可有效促进坚硬顶板的提前断裂。通过现场实测，得出预裂后工作面顶板初次来压平均步距为33.2 m，周期来压步距为13.48 m，顶板受到了不同程度的弱化且能够安全冒落，周期来压时对支架的冲击力较小，为该技术的推广提供了可靠依据。

坚硬顶板 定向水力压裂 周期来压 数值模拟

坚硬顶板是指煤体上覆顶板岩层厚度较大,自稳能力好，岩体抗拉、抗压强度高，在煤体采出后覆岩大面积悬顶造成采空区长时间处于空洞状态的顶板。随着工作面持续推进，由之扩展的悬顶最终会发生折断失稳，在较短时间内出现顶板冒落面积较大、冲击力强、工作面来压明显等现象，会对工作面的人员和设备造成较大的威胁。

不同于传统炸药爆破致裂顶板时既产生大量有毒有害气体，同时在高瓦斯矿井中存在较大安全隐患等缺点，定向水力压裂技术不仅成本较低、安全性好，且能够通过定向孔产生预定方向的裂隙，从而在处理坚硬顶板时得到良好的施工效果。因此，定向水力压裂技术作为一种新的处理煤矿坚硬顶板的技术，具有十分广泛的应用前景和实用价值。

1 工程背景

古书院矿 15#煤层上覆直接顶为 K1灰岩，岩层表现出较强的整体性和自承性能，因而在工作面推进过程中，K1灰岩大面积悬空，采空区顶板长时间难以折断冒落。根据已有资料显示，古书院矿 15#煤层开采时工作面初次垮落步距在41.37 m左右，周期来压步距为27.2 m。针对此类问题，通常采用对坚硬顶板进行预裂爆破的方法，但会导致工作面局部瓦斯浓度严重超标，给矿井的安全形势带来不利影响。本文以古书院矿 153303 工作面为研究对象，分析水力致裂的作用机制及工程效果。153303 工作面部分顶底板岩性见表1。

表1 工作面顶底板情况

2 ANSYS数值模拟研究

针对 153303工作面的坚硬顶板，采用定向水力压裂技术后，会使顶板岩层软化易弯折。为了掌握饱和水状态对顶板岩石断裂的影响，采用ANSYS数值模拟软件，分别对岩石饱和水状态和天然岩石状态下的 15#煤层部分顶底板岩层进行建模，施加合理约束和载荷，收集结点对应应力值数据，分析其应力状态。

2.1 岩石饱和水状态

采用ANSYS软件建立模型，根据 153303 实际地质条件，参考岩石力学相关参数，对岩石断裂进行有限元数值模拟分析，设置单元类型为 PLANE82，假设材料为各向同性线弹性材料，岩石饱水状态下弹性模量E为62.98 GPa，泊松比μ为0.271，施加固定约束，根据工程实际取平均破坏荷载P为945 N。对坚硬顶板K1灰岩进行布点，观测各结点坐标及所对应的应力值，数据如表2所示。

表2 结点处计算结果

根据模拟结果，得到不同结点坐标的应力值，再根据强度因子表达式计算出应力强度因子KI。计算公式如下：

式中：σx——X方向应力，MPa；

r——距离裂纹尖端距离，mm。

2.2 天然岩石状态

针对天然岩石试件，参考岩石力学参数对岩石断裂进行有限元数值模拟分析，弹性模量E为70 GPa，μ为0.261，数值模拟采用单元类型为PLANE82，划分网格，施加约束，取平均破坏荷载P为1552 N。取修正系数γ=1.5，各节点计算结果见表3。

2.3 模拟结果分析

表3 节点处计算结果

3 现场试验

3.1 压裂钻孔布置

由于153303为坚硬顶板工作面，根据其实际情况，通常使用钻孔为ø58mm直径的钻头对顶板打眼。依据钻孔参数可将孔眼分为3种类型，分别为压裂钻孔-S，钻孔长度为30m，倾角为30°；压裂钻孔-L，钻孔长度为50m，倾角为10°；压裂钻孔-H，钻孔长度为25m，倾角为45°。巷道水力压裂钻孔具体布置情况如图1所示。

图1 巷道水力压裂钻孔布置

钻孔施工顺序为先进行压裂钻孔-L的钻进和压裂作业，待压裂钻孔-L的压裂工作全部结束后，再进行压裂钻孔-S施工和压裂作业，最后进行压裂钻孔-H的钻进和压裂工作。

工作面巷道钻孔布置方式有3种，即水力压裂钻孔L、S、H，顶板钻孔大致布置方式如图1(a)所示；在工作面煤体上方顶板布置S和L孔，具体参数见图1(b)、图1(c)，其中S孔之间的间距为20m，L孔之间的间距为20m。H孔布置在距离煤柱约1m(可根据现场条件适当调整)处，其参数见图1(d)，钻孔间距为15m。

其中，工作面巷道总计有L孔100个，S孔100个，H孔133个，总进尺约为11325m。

3.2 现场监测

153303工作面采取定向水力压裂技术后，其初次来压步距和周期来压步距主要通过监测工作面支架阻力来确定。选择该工作面几个代表性支架并安装压力记录仪进行工作阻力监测记录。根据工作面各个支架的循环末阻力曲线变化情况，得到各支架的初次来压和周期来压情况见表4。

表4 各支架初次来压与周期来压步距

由表4可知，153303工作面顶板采用定向水力压裂技术后，沿工作面倾斜方向的初次来压和周期来压步距均发生不同程度的减小，其中初次来压步距的最大值为40.1m，最小值为25.4m，平均值为33.2m。工作面推进的112m距离中，数据显示共发生7次周期来压，其中来压步距最小值为12.85m，最大值为14.31m，平均值为13.48m。初次来压步距和周期来压步距较以往分别减少了8.17m和13.72m。在工作面推进过程中，可以监测到工作面采空区顶板持续发生冒落，周期来压时对工作面支架冲击力较小，同时现场顶板监测显示，工作面端头顶板悬顶面积较小，瓦斯浓度较低，均在安全范围内。

4 结论

(1)古书院矿153303工作面顶板进行定向水力压裂技术后，通过ANSYS数值模拟分析计算，得知顶板岩石断裂韧度降低，有利于坚硬顶板提前断裂。

(2)对工作面巷道进行水力压裂钻孔布置，根据现场观测结果，沿153303工作面倾斜方向的初次来压和周期来压步距平均为33.2 m和13.48 m，初次来压步距和周期来压步距较之前工作面分别减少8.17 m和13.72 m。

(3)工作面采用顶板定向水力压裂技术后，工作面采空区顶板持续发生冒落，端头顶板悬顶面积较小，瓦斯浓度较低，均在安全范围内，提高了工作面顶板管理水平。

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(责任编辑 郭东芝)

Research on directional hydrofracture technology in handling mine hard roof

Huang Xiaopeng, Zhang Pengpeng, Yan Yaofei

(College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

To analyze the mechanism of directional hydrofracture technology applied to the hard roof of 153303 working face of Gushuyuan Coal Mine, the fracture toughness of loaded roof rock in saturated water or natural state was studied by ANSYS numerical analysis software, the results showed that under the influence of saturated water, the fracture toughness of roof rock decreased sharply, which could accelerate the fracture of hard roof in advance. Through field test, the average initial weighting step distance was 33.2 m, and the periodic weighting step distance was 13.48 m. The roof had been weakened in different degrees and could be safely caved in time, and the impact force to the supports was slight during periodic roof weighting. The results provided reliable evidence for its popularization.

hard roof, directional hydraulic fracturing, periodic weighting, numerical simulation

黄小朋，张鹏鹏，闫耀飞. 矿井坚硬顶板定向水力压裂技术研究 [J]. 中国煤炭，2017,43(7)：55-57，80. Huang Xiaopeng, Zhang Pengpeng, Yan Yaofei. Research on directional hydrofracture technology in handling mine hard roof [J]. China Coal, 2017, 43(7):55-57，80.

TD32

A

黄小朋(1989-)，男，河南永城人，采矿工程硕士在读，从事矿山压力研究等工作。