徐 成 李 亮

(1.西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西省西安市，710065；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西省西安市，710065)

★ 煤炭科技·開(kāi)拓與開(kāi)采 ★

煤巖體強(qiáng)度對(duì)注漿壓裂裂隙形成規(guī)律影響分析

徐 成1李 亮2

(1.西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西省西安市，710065；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西省西安市，710065)

為了更深入了解不同強(qiáng)度的煤巖體注漿壓裂的裂隙產(chǎn)生規(guī)律，通過(guò)RFPA-flow軟件建立二維應(yīng)力應(yīng)變模型，模擬了在不同強(qiáng)度的煤巖體下注漿過(guò)程中裂隙萌生、擴(kuò)展直至模型失穩(wěn)的全過(guò)程。結(jié)果表明，低強(qiáng)度煤巖體注漿時(shí)，注漿孔周圍的應(yīng)力集中，僅在其周圍產(chǎn)生破裂而不能向外部擴(kuò)散，漿液擴(kuò)散困難；高強(qiáng)度煤巖體注漿時(shí)，漿液能量積蓄更為容易，裂隙擴(kuò)散范圍更大，漿液擴(kuò)散范圍也隨之增加。研究結(jié)果揭示了不同強(qiáng)度的煤巖體注漿壓裂裂隙產(chǎn)生規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作進(jìn)行理論指導(dǎo)。

煤巖體 注漿 強(qiáng)度 裂隙特征 注漿效果

在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，頂板冒落、突水等事故嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。通常情況下會(huì)采用注漿的方法對(duì)破碎圍巖進(jìn)行加固處理，目的是提高破碎圍巖的強(qiáng)度，改善圍巖的物理性能，增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性。因此，開(kāi)展對(duì)注漿加固技術(shù)的研究對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)是至關(guān)重要的。

目前對(duì)注漿過(guò)程中裂隙擴(kuò)展及漿液流動(dòng)規(guī)律的研究已經(jīng)取得了豐富的成果，對(duì)注漿加固過(guò)程中漿液流動(dòng)及裂隙擴(kuò)散進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及理論研究，并建立了不同分析方法及理論模型對(duì)注漿漿液擴(kuò)散及巖石破裂面的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。但是目前煤巖體強(qiáng)度對(duì)注漿壓裂過(guò)程中裂隙產(chǎn)生規(guī)律的影響分析還有待提升，特別是單孔巖石注漿過(guò)程中裂隙產(chǎn)生規(guī)律的研究還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

本文通過(guò)RFPA-flow軟件建立數(shù)值模型，模擬注漿過(guò)程中裂隙的萌生、破裂直至失穩(wěn)的全過(guò)程，初步分析在不同煤巖體強(qiáng)度下注漿壓力的改變對(duì)裂隙產(chǎn)生規(guī)律的影響，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值模型建立

1.1 RFPA模擬軟件簡(jiǎn)介

RFPA-flow軟件是為了研究真實(shí)破裂過(guò)程而研發(fā)的一種能夠模擬材料漸進(jìn)破壞的數(shù)值實(shí)驗(yàn)工具。該方法基于有限元理論并考慮了材料的非均性、缺陷分布的隨機(jī)性，并把這種材料的統(tǒng)計(jì)分布假設(shè)結(jié)合到數(shù)值計(jì)算方法中，對(duì)滿足給定強(qiáng)度準(zhǔn)則的單元進(jìn)行破壞處理，從而使得非均質(zhì)材料破壞過(guò)程的數(shù)值模擬得以實(shí)現(xiàn)。

1.2 模型建立

本文采用RFPA-flow軟件建立二維平面應(yīng)變模型，選定煤體材料的基礎(chǔ)參數(shù)構(gòu)建數(shù)值模型，建立1 m×1 m模型框架，劃分為200×200個(gè)單元。為了分析不同強(qiáng)度的煤巖體對(duì)注漿過(guò)程中裂隙產(chǎn)生規(guī)律的影響，建立注漿模型如圖1所示。在模型中心開(kāi)挖一個(gè)直徑d為80 mm的模擬注漿孔。在模型周圍附加邊界條件模擬巖石的水平地應(yīng)力，考慮到上覆巖層重量以及煤體自重，在煤體上部施加與圍壓相等的荷載σ=4 MPa。根據(jù)煤巖體強(qiáng)度的大小，分別選擇強(qiáng)度為2 GPa、 6 GPa、 8 GPa、10 GPa的煤巖體進(jìn)行模擬計(jì)算。由于煤層中注漿壓裂所需壓力與煤層條件有關(guān)，設(shè)計(jì)注漿初始?jí)毫0為3 MPa，注漿壓力以0.2 MPa/step的步長(zhǎng)遞增。

圖1 注漿計(jì)算模型

模型的物理學(xué)參數(shù)主要依據(jù)煤體的力學(xué)參數(shù)確定，煤體彈性模量E為6 GPa，模擬強(qiáng)度f(wàn)為2 GPa、6 GPa、8 GPa、10 GPa，抗拉壓強(qiáng)度f(wàn)t為50 MPa，均質(zhì)度m為2，摩擦角為30°，泊松比μ為0.25，滲透系數(shù)k0為0.01 m/d，固液耦合系數(shù)a為0.2，孔隙水壓力系數(shù)α為0.5，孔隙率ξ為0.1。煤巖體加固的對(duì)象主要為煤層。

2.1 起裂/失穩(wěn)應(yīng)力分析

分別建立煤巖體強(qiáng)度為2 GPa、6 GPa、8 GPa、10 GPa的數(shù)值模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以研究不同強(qiáng)度煤巖體對(duì)注漿壓裂過(guò)程中裂隙的產(chǎn)生規(guī)律。 聲發(fā)射變化圖見(jiàn)圖2。

圖2 聲發(fā)射變化圖

由圖2對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注漿壓力大到6.4 MPa時(shí)，煤巖體強(qiáng)度為2 GPa、 6 GPa、 8 GPa、10 GPa的模型都開(kāi)始破裂；當(dāng)注漿壓力大到7.4 MPa時(shí)，強(qiáng)度為6 GPa、8 GPa、10 GPa巖石失穩(wěn)；注漿壓力大到7.8 MPa時(shí)，強(qiáng)度為2 GPa巖石失穩(wěn)。說(shuō)明隨著煤巖體強(qiáng)度的增加，煤體的起裂壓力與失穩(wěn)壓力基本保持不變，煤巖體強(qiáng)度對(duì)注漿壓裂起裂與失穩(wěn)壓力影響很小。

2.2 壓裂應(yīng)力場(chǎng)及裂隙擴(kuò)展分析

分別對(duì)4個(gè)注漿模型裂隙破壞應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析比較，通過(guò)分析不同強(qiáng)度的煤巖體注漿壓裂裂隙失穩(wěn)階段應(yīng)力分布圖，對(duì)煤巖體注漿壓裂破裂規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)煤巖體強(qiáng)度為2 GPa、6 GPa時(shí)，煤巖體強(qiáng)度大小影響了注漿過(guò)程中裂隙的產(chǎn)生，在同等條件下，強(qiáng)度低的煤巖體注漿孔周圍破裂更為嚴(yán)重。說(shuō)明在注漿過(guò)程中，低強(qiáng)度煤巖體的注漿孔周圍應(yīng)力集中，煤巖體強(qiáng)度不足以積累太高的能量，所以會(huì)使煤巖體產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，從而影響到裂隙的擴(kuò)散，使?jié){液的擴(kuò)散不能達(dá)到注漿要求。

圖3 不同強(qiáng)度煤巖體壓裂失穩(wěn)階段應(yīng)力場(chǎng)分布及裂隙特征

當(dāng)強(qiáng)度為8 GPa、1%0 GPa時(shí)，應(yīng)力集中在注漿孔周圍不易擴(kuò)散，但是由于巖石強(qiáng)度高，破裂難以發(fā)生。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到巖體破裂臨界值時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，應(yīng)力集中區(qū)積累更多能量向外擴(kuò)散，會(huì)使巖石內(nèi)部產(chǎn)生更多的微裂隙，且裂隙尖端不易鈍化，裂隙的擴(kuò)散范圍增大。

由此可知，煤巖體強(qiáng)度對(duì)注漿漿液擴(kuò)散影響較大，在注漿過(guò)程中，提高煤巖體的強(qiáng)度，有助于煤層裂隙的合理擴(kuò)散。

2.3 注漿漿液擴(kuò)散規(guī)律

RFPA-flow矢量圖可以反映注漿過(guò)程中漿液的流動(dòng)方向、范圍及擴(kuò)散規(guī)律。通過(guò)分析漿液的矢量圖可以直觀反映圍壓的改變對(duì)漿液流動(dòng)的影響。

煤巖體強(qiáng)度為2 GPa、6 GPa、8 GPa、10 GPa時(shí)漿液擴(kuò)散的矢量圖見(jiàn)圖4。

由圖4可知，強(qiáng)度為2 GPa的煤巖體在注漿過(guò)程中漿液僅在注漿孔周圍擴(kuò)散，擴(kuò)散半徑最小，漿液尖端不易分散。當(dāng)煤巖體強(qiáng)度增加時(shí)，漿液擴(kuò)散半徑也隨之增加，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到10 GPa時(shí)，漿液的擴(kuò)散半徑最大。

不同強(qiáng)度的煤巖體對(duì)注漿過(guò)程中漿液擴(kuò)散規(guī)律有很大的影響。隨著煤巖體強(qiáng)度的增加，漿液的擴(kuò)散半徑也隨之增加，由于低強(qiáng)度的煤巖體在注漿過(guò)程中更容易在注漿孔周圍破裂，漿液就會(huì)擴(kuò)散在注漿孔周圍，漿液的擴(kuò)散半徑也就難以達(dá)到理想要求。而當(dāng)增加了煤巖體的強(qiáng)度時(shí)，漿液的能量積聚更為快速，擴(kuò)散半徑及擴(kuò)散范圍也隨之增加，更容易達(dá)到注漿要求。

圖4 不同強(qiáng)度煤巖體的漿液擴(kuò)散矢量圖

3 結(jié)論

(1)分別研究煤巖體強(qiáng)度為2 GPa、6 GPa、8 GPa、10 GPa時(shí)注漿加固的裂隙產(chǎn)生規(guī)律。煤巖體強(qiáng)度的大小不影響煤巖體所需的起裂壓力與煤巖體失穩(wěn)壓力。在注漿過(guò)程中適當(dāng)增加煤巖體的強(qiáng)度時(shí)，不需要改變注漿條件。

(2)煤巖體強(qiáng)度的增加對(duì)裂隙擴(kuò)散有著很大的影響，低強(qiáng)度的煤巖體裂隙不易擴(kuò)散，僅在注漿孔周圍產(chǎn)生大量破裂而不能向外部延伸，所以在對(duì)煤層進(jìn)行注漿加固時(shí)，需要考慮到煤巖體的強(qiáng)度。

(3)在注漿過(guò)程中，漿液的流動(dòng)半徑和煤巖體強(qiáng)度的大小有著直接的關(guān)系，強(qiáng)度為2 GPa的煤巖體由于在注漿孔周圍產(chǎn)生嚴(yán)重破裂從而影響注漿加固的效果，當(dāng)強(qiáng)度提升到8 GPa之后，漿液擴(kuò)散半徑明顯提高。所以對(duì)煤巖體強(qiáng)度進(jìn)行提高有助于提升注漿效果。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

2016年全國(guó)火電設(shè)備平均利用小時(shí)同比降低199小時(shí)

據(jù)中電聯(lián)2016年電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)快報(bào)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)6000 kW及以上電廠發(fā)電設(shè)備平均利用小時(shí)繼續(xù)下降，2016年全國(guó)發(fā)電設(shè)備平均利用小時(shí)為3785小時(shí)，同比降低203小時(shí)，是1964年以來(lái)的最低水平。2016年底全國(guó)水電裝機(jī)容量3.3億kW，設(shè)備平均利用小時(shí)3621小時(shí)，同比增加31小時(shí)。與2015年相比，18個(gè)省份水電設(shè)備平均利用小時(shí)同比上升，其中，福建、海南增加超過(guò)1000小時(shí)，北京、河北、遼寧、吉林、江蘇、安徽、江西、山東和廣東增加超過(guò)500小時(shí)，而內(nèi)蒙古、廣西、貴州、陜西和青海下降超過(guò)500小時(shí)。

2016年底全國(guó)火電裝機(jī)容量10.5億kW，設(shè)備平均利用小時(shí)4165小時(shí)，同比降低199小時(shí)，是1964年以來(lái)的最低水平。其中，山東和江蘇超過(guò)5000小時(shí)，河北、寧夏、江西和內(nèi)蒙古超過(guò)4500小時(shí)；西藏、云南和四川低于2200小時(shí)。與2015年相比，除北京、河北和西藏3個(gè)省份外，其他省份火電設(shè)備利用小時(shí)均有不同程度降低，其中，海南降幅超過(guò)1000小時(shí)，青海、福建、四川、新疆和寧夏降幅超過(guò)500小時(shí)。

2016年底全國(guó)核電裝機(jī)容量3364萬(wàn)kW，設(shè)備平均利用小時(shí)7042小時(shí)，同比降低361小時(shí)。

2016年底全國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量1.5億kW，設(shè)備平均利用小時(shí)為1742小時(shí)，同比增加18小時(shí)。分省來(lái)看，在風(fēng)電裝機(jī)容量超過(guò)300萬(wàn)kW的13個(gè)省份中，云南、河北、江蘇、山西、遼寧、山東、內(nèi)蒙古和貴州風(fēng)電設(shè)備平均利用小時(shí)超過(guò)全國(guó)平均水平，而甘肅、新疆和吉林風(fēng)電平均利用小時(shí)低于1500小時(shí)，分別僅有1088小時(shí)、1290小時(shí)和1333小時(shí)。

Influence analysis of coal and rock strength on developing rule of fracturing grouting cracks

Xu Cheng1, Li Liang2

(1.Xi'an Keda Gaoxin University, Xi'an, Shaanxi 710065, China;2.Shaanxi Coal Chemical Industry Technology Research Institute Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi 710065, China)

In order to better understand influence of coal and rock with different strength on developing rule of fracturing grouting cracks, a two-dimensional stress and strain model was built by using RFPA-flow software to simulate the generation, develepment and failure process of grouting cracks in coal and rock with different strength. The results showed that when the strength of coal and rock was low, the stress concentration and cracks appeared around the grouting hole, but the cracks and grouting fluid couldn't extend outward; when the strength of coal and rock was increased, energy accumulation of grouting fluid was easier and extension ranges of cracks and grouting fluid were bigger.The research results revealed the developing rule of fracturing grouting cracks in coal and rock with different strength, which provided theoretical guidance for the actual production.

coal and rock mass, grouting, strength, crack features, grouting effect

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2014CB047100)

徐成，李亮. 煤巖體強(qiáng)度對(duì)注漿壓裂裂隙形成規(guī)律影響分析[J]. 中國(guó)煤炭，2017,43(2)：44-47. Xu Cheng, Li Liang. Influence analysis of coal and rock strength on developing rule of fracturing grouting cracks[J]. China Coal, 2017, 43(2):44-47.

TD315

A

徐成(1993-)，陜西韓城人，本科生，現(xiàn)就讀于西安科技大學(xué)高新學(xué)院土木工程專業(yè)。