1、 245 科学管理2023年第10期随着我国开采年限的不断增加，我国煤炭覆存较为简单的煤层开采已经逐步完毕，开采重点朝着深部及覆存条件较为复杂的煤层转移。据统计我国约有4成的矿井存在坚硬顶板的问题，坚硬顶板的存在使得工作面悬顶面积大幅度增大，悬顶极难发生垮落，造成悬顶的失控。同时大面积的选定会造成巷道围岩变形过大，而对于留煤柱的矿井，大面积的悬顶会使得煤柱尺寸有所增大，降低矿井的经济效益，所以解决坚硬顶板问题成为了矿井重要的难题1，2。目前针对坚硬顶板的治理大多采用聚能爆破切顶，但爆破会造成环境污染，不符合绿色发展目标，所以提出水力压裂切顶3，4，目前针对水力压裂切顶的研究较少，因此本文以镇城
2、底矿为研究背景，利用数值模拟软件，对水力压裂切顶卸压参数进行研究，旨在为后续水力压裂方案设定提供一定的理论依据。1 数值模拟模型建立定向水力压裂是指在顶板内部预先进行钻孔，并在钻孔内部设定预裂缝，使之形成软弱面，对钻孔进行封闭处理，完成钻孔封闭后对钻孔进行注液，由于坚硬顶板岩层多为致密岩性，所以在钻孔内部由于注液时间的不断增加，从而钻孔内部能量快速聚集，当钻孔内部能量超过钻孔预裂缝的抗拉强度时，此时钻孔沿着预裂缝发生扩展，从而形成连续裂缝，由于水力压裂顶板使得顶板的完整性大打折扣，此时顶板会沿着裂缝发生垮落，达到随采随落的目的，保证巷道的稳定性。为了对水力压裂不同参数下压裂效果进行分析，本文利
3、用数值模拟软件进行建模分析，首先由于巷道顶板尺寸很大，不存在边界问题，所以本文设定模型的尺寸为200mm200m，在模型的中心开挖20mm的圆，并在圆在钻孔半径位置预制对称裂缝，裂缝与最大水平应力的夹角为预制裂缝角，对模型进行网格划分，按照1mm1mm的尺寸进行网格划分，共计40000个网格，完成网格划分后对模型应力差进行设定，最大水平主应力设定为6MPa，通过改变最小水平完成应力差的改变，对钻孔内部进行水压设定，初始水压设定为2MPa，水压增量为0.5MPa/步。模型的力学参数参照砂岩进行设定。2 数值模拟计算模型建立完成，对模型进行计算，如图1所示为随着时间变化岩石内部变形云图。从图1中可
4、以看出，随着注液时间的不断增加，钻孔内部裂缝的变形特征呈现不同态势。裂缝扩展大致可以分为三个阶段，能量累计阶段，在此阶段内钻孔内部的能量快速聚集，此时裂缝尖端的应力快速增站，但裂缝并未发生扩展。钻孔起裂阶段，在此阶段内钻孔内部的能量聚集超过钻孔裂缝的抗拉强度，此时裂缝出现起裂，起裂位置沿着钻孔预制裂缝尖端。裂缝扩展阶段，在此阶段内，随着注液时间的不断增加，此时钻孔裂缝沿着裂缝尖端不断扩展，扩展呈现对称分定向水力压裂切顶卸压参数模拟研究贾志宇晋能控股煤业集团 山西 大同 037000摘要：为了解决坚硬顶板在矿井开采过程中引起的困扰，本文利用数值模拟软件对水力压裂过程进行模拟，发现水力压裂下裂缝扩
5、展分为三个阶段，分别为能量累计阶段、钻孔起裂阶段、裂缝扩展阶段，伴随着三个阶段，裂缝先起裂后向着最大水平主应力方向发生偏转。同时通过对不同不同水平应力差下裂缝张开度、裂缝偏转角进行数值模拟研究发现，张开度随着水平应力差的增大逐步减小，而裂缝偏转角随着水平应力差逐步增大，为矿井水力压裂方案的实施提供一定的理论依据。关键词：水力压裂 数值模拟 张开度 应力差（a）能量累计阶段（b）钻孔起裂阶段（c）裂缝扩展阶段图1 水力压裂过程模拟云图科学管理 246 2023年第10期布特征，裂缝沿着尖端起裂后会迅速发生偏转，并沿着最大水平主应力方向发生扩展，这是由于裂缝起裂后受到应力差的作用，使得裂缝快速偏转
6、，同时由于沿着最大水平主应力方向限制裂缝张开的作用力较小，所以裂缝沿着此方向发生扩展。同时观察应力变化可以看出，在岩石未发生起裂时，此时应力值较高，但当岩石完成起裂后岩石的应力值会迅速下降，下降后几乎不发生大的变化，仅会出现微小的波动，这是由于岩石水力压裂为瞬间过程，能量在钻孔起裂瞬间完成释放，所以应力值快速下降。同时可以明显看出岩石的水力压裂应力曲线大致为单峰形，即随着注液时间的增大，压力值先快速增大后迅速下降，逐步达到平稳状态。对不同水平应力差下的裂缝宽度进行分析，选定水平应力差2MPa、3MPa、4MPa、5MPa进行研究，绘制不同水平应力差下裂缝张开度曲线如图2所示。图2 不同水平应力
7、差下裂缝张开度曲线从图2可以看出，随着水平应力差的增大，裂缝张开度呈现逐步减小的趋势，当水平应力差为2MPa时，此时裂缝张开度为0.15mm，当水平应力差3MPa时，此时裂缝张开度为0.13mm，较水平应力差2MPa时下降了0.02mm，当水平应力差4MPa时，此时裂缝张开度为0.115mm，较水平应力差2MPa时下降了0.035mm，当水平应力差5MPa时，此时裂缝张开度为0.11mm，较水平应力差2MPa时下降了0.04mm。可以看出降低的趋势逐步减弱，水平应力差越大裂缝的张开度逐步减小，这是由于随着应力差的增大，岩石发生起裂需要的能量越小，裂缝起裂瞬间释放能量较小，使得钻孔裂缝的张开度也
8、就越小。对不同水平应力差下的裂缝起裂偏转角进行分析，起裂偏转角是指起裂裂缝与预制裂缝的夹角。同样选定水平应力差2MPa、3MPa、4MPa、5MPa进行研究，绘制不同水平应力差下裂缝偏转角变化曲线如图3所示。图3 不同水平应力差下裂缝偏转角变化曲线从图3可以看出，随着水平应力差的增大，裂缝起裂偏转角呈现逐步增大的趋势，当水平应力差为2MPa时，此时裂缝偏转角为5.2，当水平应力差3MPa时，此时裂缝张开度为10.3，较水平应力差2MPa时增加了5.1，当水平应力差4MPa时，此时起裂偏转角为16.6，较水平应力差2MPa时增加了11.5，当水平应力差5MPa时，此时裂缝偏转角为23.6，较水平
9、应力差2MPa时增加了18.5。可以看出随着水平应力差的增大，岩石起裂瞬间裂缝偏转角呈现逐步增大的趋势。当水平应力差越大，此时岩石起裂瞬间受到应力差的控制效果也就越强，最大水平主应力对裂缝起裂控制越强，起裂偏转角越就越大。3 结论（1）根据钻孔内部裂缝的变形特征，将水力压裂下裂缝扩展分为三个阶段，分别为能量累计阶段、钻孔起裂阶段、裂缝扩展阶段，伴随着三个阶段，裂缝先起裂后向着最大水平主应力方向发生偏转。（2）通过对不同水平应力差下裂缝张开度进行分析，发现随着水平应力差的增大，裂缝张开度呈现逐步减小的趋势，减小的趋势随着水平应力差的增大逐步降低。（3）通过对不同水平应力差下裂缝偏转角进行数值模拟研究发现，随着水平应力差的增大，裂缝起裂偏转角呈现逐步增大的趋势。参考文献1 郑洪运，时启鹏，娄庆楠，李廷春，王永宝，云明.坚硬复合顶板沿空留巷围岩控制技术研究 J.矿业研究与开发，2021，41（10）:109-114.2 彭邦林.辛置煤矿坚硬顶板下巷道围岩控制技术研究与应用 J.山东煤炭科技，2021，39（7）:20-22.3 庞立宁.坚硬煤体水力压裂联合深孔爆破提高块煤率研究 J.煤炭工程，2021，53（10）:79-83.
