近距离煤层水力压裂切顶卸压护巷技术研究_许彦虎.pdf

2023年第2期西部探矿工程*收稿日期：2021-12-26修回日期：2021-12-28作者简介：许彦虎（1989-），男（汉族），山西临汾人，工程师，现从事煤矿生产技术管理工作。近距离煤层水力压裂切顶卸压护巷技术研究许彦虎*（山西乡宁焦煤集团申南凹焦煤有限公司，山西 临汾 041000）摘要：针对坚硬顶板难垮落、采空区悬露顶板面积较大、巷道围岩变形严重等问题，以申南凹矿20108工作面为工程背景，采用数值模拟软件对水力压裂起裂进行分析，发现随着注液时间的不断增大，钻孔内部应力呈现出先增大后减小的趋势，在应力最大值处岩石发生起裂，同时对压裂过程中及不同围压比下的裂纹的扩展直径和裂缝单元粘结的破坏数量进行研究发现，随着注液时间的增大裂纹的扩展直径和裂缝单元粘结的破坏数量均增大，而随着围压比的增大，两者则呈现相反的变化趋势，留巷巷道围岩变形得到有效控制,保证工作面安全回采。关键词：水力压裂；切顶卸压；数值模拟；起裂压力；顶板管理中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)02-0101-031概述随着，我国煤矿开采强度和采掘规模扩大，在开采深部坚硬顶板工作面时诸多开采问题困扰着矿井的安全开采，坚硬顶板问题作为煤矿开采最为常见的问题，一直困扰着我国煤矿的开采。坚硬顶板是指矿井巷道顶板为岩性较为坚硬的煤层，在巷道开采过程中，由于坚硬顶板的存在，使得覆岩无法直接垮落，从而造成大面积的悬顶形成，大面积的悬顶会造成巷道围岩变形较大，悬顶一旦发生垮落就会造成巨大的冲击波，威胁着矿井的开采，同时由于大面积悬顶的存在会造成留煤柱开采矿山煤柱尺寸大幅度增加，造成严重的资源浪费，所以对坚硬顶板进行治理十分重要1。此前我国针对坚硬顶板治理的办法主要为爆破卸压，使得悬顶出现预裂缝，从而降低顶板整体性，达到顶板随采随落的目的。考虑到爆破切顶卸压会产生大量的粉尘，污染较大，所以提出水力压裂切顶卸压2，本文利用数值模拟软件对水力压裂切顶卸压进行研究，为矿井坚硬顶板的治理提供参考。2矿井概况及数值模型建立申南凹矿位于山西省乡宁县管头镇宋家沟村，井田面积为8.12km2，生产能力为120104t/a，批准开采1#10#煤层，矿井工业储量4266104t,设计可采储量2450104t，服务年限14.6年，现采2#煤层。20108工作面位于二采区西翼，主要开采山西组2#煤层，煤层平均厚度4.2m，煤层倾角327，平均倾角15。水力压裂切顶卸压主要是在巷道顶板进行定向钻孔，并对钻孔进行及时的封堵，通过高压注射压裂液对钻孔进行压裂，从而达到在坚硬顶板中形成一定的裂缝网，从而达到削弱顶板整体性的目的，此时顶板稳定性下降，随着采动影响，巷道顶板逐步发生垮落，从而解决坚硬顶板的问题。水力压裂切顶卸压参数的控制，可以起到控制裂隙网位置、裂隙密度等因素3。为了对水压致裂可行性进行研究，利用数值模拟软件对定向水力压裂的起裂及裂缝扩展进行研究，通过监测孔压的变化，从而分析裂纹产生及裂纹扩展的规律，首先进行水力压裂模型的建立。考虑到巷道顶板的无界性，所以在进行模型建立时只需建立正方形顶板即可。建立模型尺寸为4m4m，压裂钻孔设定为高径比为1 4的菱形，菱形的高为100mm，对模型施加垂直及水平方向的应力，垂直应力及水平应力分别设定为10MPa和8MPa，应力差为2MPa。对模型钻孔进行水压注射，采用固定给水压力进行压裂，注水压力为28MPa，钻孔压力的变化直至压裂完成，压力无变化时停止，观测时长为400s，对模型进行水力压裂4。3模拟计算钻孔应力随注液时间变化曲线如图1所示。从孔压力变化曲线可以看出，随着注液时间的增大，孔压力从基本维持在初始孔压力逐渐升高达到最1012023年第2期西部探矿工程高值，在达到最大值后逐渐降低。在整个水力压裂过程中，当水压力未达到钻孔起裂压力时，此时钻孔岩体基本未发生破碎，没有裂纹产生，随着注液时间及注水量的增大，此时钻孔内部能量快速积聚并达到钻孔起裂压裂，此时钻孔壁出现破裂，此时岩体内部产生一定的裂缝。随着压裂液的不断注入，此时钻孔压力能够达到的最大值表示岩体稳定的最大水压力，为压裂的起裂压力，从图可以看出起裂压力为15.5MPa，随着注液时间的进一步增大，在裂纹完成起裂后，此时压裂液随着压裂裂缝不断的流入岩体中，造成裂缝出现定向的扩展，此时钻孔压力逐步呈现下降趋势，考虑到裂纹的发育等因素，使得钻孔内部的压力出现不均匀下降，会形成一定的波动现象，总体呈现下降趋势。当压裂完成时，此时随着注液时间的进一步增大，钻孔内部压力并不会发生较大幅度的变化，总体呈现出稳定趋势，压力稳定为9.83MPa，整个水力压裂过程结束5-6。在完成定向水力压裂过程孔压力变化分析后，对压裂时裂纹起裂扩展随注液时间的变化进行分析，通过对“裂纹扩展直径”与“粘结破裂数量”两个分析指标对扩展进行分析，定向水力压裂过程中裂纹直径与粘结破裂数量的变化曲线如图2所示。从图2水力压裂过程中裂纹扩展直径与颗粒粘结破裂数量随注液时间变化图可以看出，裂纹扩展的直径与单元颗粒粘结破裂数量随着注液时间的增加呈现出相同的变化趋势，均呈现逐步增大的趋势，所以可以得出钻孔裂缝的扩展沿着直线方向进行延伸扩展，虽然在过程中呈现出一定的偏折，但整体扩展趋势沿直线方向。在裂缝直径扩展过程中大致呈现出两个阶段的趋势，分别为80s 前的快速增长和80s 后的缓慢增长，这是由于随着裂缝扩展长度的不断加大，水流扩展过程中消耗的能量逐步增大，所以用于扩展的能量减小，裂缝扩展速度降低。观察单元颗粒粘结断开数量随注液时间的变化趋势，可以看出当初始裂隙开始形成时，此时裂纹快速发育，裂缝颗粒粘结破坏数量逐步增加，后期与裂缝扩展直径机理类似，颗粒数逐步区域稳定7-8。在模型的水平方向施加10MPa压力，改变模型的垂直方向压力来改变模型的围压比，选定围压比为1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5时对模型进行水力压裂，注液压力选定为32.5MPa。不同围压比下裂纹扩展直径和裂缝颗粒粘结破坏数量曲线如图3所示。从图3可以看出，裂纹的扩展直径和裂缝单元粘结的破坏数量呈现相同的趋势，均呈现逐步降低的趋势，当模型的围压比为1 1时，此时裂缝扩展直径为2.7m，而裂缝单元粘结破坏数量为84个，随着模型围压比的增大，此时裂缝扩展半径和粘结单元破坏个数逐步降图1钻孔应力随注液时间变化曲线图2裂纹直径与粘结破裂数量随时间变化曲线图3不同围压比下裂纹直径与粘结破裂数量的变化曲线1022023年第2期西部探矿工程低，当围压比为1 1.5时，此时裂缝扩展直径为2.1m，而裂缝单元粘结破坏数量为56个，为几种围压比下的最小值，所以可以反映出随着围压比的增大，此时钻孔起裂后裂纹向外延伸的难度增加。这是由于随着围压比的不断增大，此时垂直应力数值逐步增大，岩石发生起裂时预制裂缝尖端受到的限制作用也就越强，此时裂缝尖端起裂后发生扩展需要的能量也就越多，从而导致裂缝扩展的半径减小，对应的裂缝单元粘结破坏数量也就降低9-10。4结论（1）利用数值模拟软件对水力压裂过程中钻孔应力随时间变化曲线进行研究，发现随着注液时间的增大，钻孔应力呈现先增大后减小的趋势，起裂压力为15.5MPa。（2）通过对不同支压裂时间下裂缝扩展直径和裂缝粘结单元破坏数量进行研究，发现随着时间的增大，裂缝扩展直径和裂缝粘结单元破坏数量均呈现逐步增大的趋势。（3）对不同围压比下裂缝扩展直径和裂缝粘结单元破坏数量进行分析，发现随着围压比的不断增加，两者均呈现逐步减小的趋势。参考文献：1刘爱卿.近距离煤层水力压裂切顶卸压护巷技术研究J.煤炭工程,2020,52(4).2王振.水力压裂切顶卸压技术在煤峪口矿8712工作面的应用研究J.煤矿现代化,2020(4).3郭智.东周窑煤矿5102回风巷水力压裂切顶卸压控顶方案设计J.当代化工研究,2020(16).4王胜利.沿空留巷水力压裂切顶卸压技术试验研究J.江西煤炭科技,2021(1).5李挺.坚硬顶板巷道水力压裂切顶卸压一体化控制技术J.山西焦煤科技,2020,44(6).6景刚刚.水力压裂切顶卸压控制临近巷道围岩变形研究J.山东煤炭科技,2020(1).7景瑞.干河矿2-209工作面水力压裂切顶卸压留巷技术应用实践J.现代矿业,2019,35(12).8杨健.水力压裂切顶卸压技术在王坡煤矿的应用J.煤炭工程,2019,51(S1):71-74.9孙志勇,张镇,王子越,等.水力压裂切顶卸压技术在大采高留巷中的应用研究J.煤炭科学技术,2019,47(10).10陈真,石蒙,杨征,等.大采高工作面二次动压巷道水力压裂切顶卸压技术研究J.中国矿业,2021,30(4).（上接第100页）理。对于采矿相关要件的编制和审批问题，不同矿种应该分类管理，针对不同矿种的开采特点，确定不同相关要件编制清单。政府部门可以聘请评估机构对原采矿权人历史遗留资产的净残值进行评估。评估和补偿所产生的费用可以纳入到“净矿”出让的“工作费用”中，由同级财政予以保障，待采矿权成交之后，由竞得人支付“工作费用”。对于矿产勘查开采与用地事项衔接问题，在出让之前，自然资源主管部门会同其他部门对拟出让范围是否符合国土空间规划进行联合审查，并可根据采矿权出让计划，提前预留相应的新增建设用地指标用于以后办理采矿用地。参考文献：1范雁阳,史文超.以“放管服”驱动发展广西推进矿业权出让管理改革促进经济社会发展侧记J.南方国土资源,2020(1):11-14.2杨再兴,史瑾瑾.净矿业权出让制度研究J.中国管理信息化,2020,23(8):200-201.3叶贺炯,梁灵鹏,宋煊.浅谈矿业权“净矿”出让的浙江实践J.浙江国土资源,2013(11):9-10.4康纪田.净采矿权出让的困境及其矫正J.矿产保护与利用,2014(2):1-5.5自然资源部.自然资源部下发 关于推进矿产资源管理改革若干事项的意见（试行）J.稀土信息,2020(1):31-33.6黄波.“净矿”出让工作实践及建议以江西省上栗县为例J.中国国土资源经济,2022,35(3):73-77.7陈信旺,万泉,陈国瑞,等.林业与国土部门对林地界定的差异性分析以福建省福安市为例J.林业勘察设计,2013(2):1-5.8陈文韬,禚传源,陈莉,等.矿业权“净矿”出让制度探索与实践研究以山东省为例J.矿业研究与开发,2022,42(1):193-198.9曾凌云.我国采矿权登记要件及流程优化研究J.经济师,2020(9):8-9.10曾凌云.贵州省深化矿产资源管理改革政策评析J.中国矿业,2020,29(S2):30-33,38.11王秀波.矿业权与土地使用权冲突的解决原则J.经营与管理,2014(11):57-58.12李益湘.矿权与土地所有权的矛盾及解决的对策C/加强地质工作促进社会经济和谐发展2007年华东六省一市地学科技论坛论文集,2007:524-526.103