楊錄勝 李鵬 劉正和 伊康 任曉凱

【摘 要】 文章以大同礦區(qū)某礦地質(zhì)條件為研究基礎(chǔ)，采用FLAC3D軟件對(duì)回采巷道頂板應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬，探討回采巷道頂板應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)規(guī)律。結(jié)果表明：回采巷道頂板應(yīng)力場淺部受采動(dòng)影響較深部更顯著;對(duì)于回采巷道超前段，采動(dòng)影響會(huì)使最大主應(yīng)力方位向工作面長度方向偏轉(zhuǎn);結(jié)合預(yù)期壓裂方向和壓裂裂縫的擴(kuò)展方向，采動(dòng)影響導(dǎo)致的應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)對(duì)實(shí)施軸向預(yù)制裂縫定向水力壓裂是不利的，壓裂與回采的時(shí)空關(guān)系應(yīng)充分考慮此效應(yīng)。

【關(guān)鍵詞】 應(yīng)力場偏轉(zhuǎn);數(shù)值模擬;回采巷道;軸向水力壓裂

【中圖分類號(hào)】 TD315 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2019）03-0010-04 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

煤礦堅(jiān)硬頂板定向水力壓裂切頂減小護(hù)巷煤柱寬度或沿空留巷、沿空掘巷的巷旁支撐壓力時(shí)，切頂工作往往是在工作面超前區(qū)域回采巷道頂板內(nèi)進(jìn)行，該處受采動(dòng)影響后的應(yīng)力場會(huì)發(fā)生變化。水力裂縫的擴(kuò)展方向、壓裂鉆孔間距與頂板巖層應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，可見，應(yīng)力的變化影響著壓裂效果。因此，探討工作面超前部分隨采動(dòng)影響的應(yīng)力變化規(guī)律，對(duì)現(xiàn)場壓裂切頂與工作面回采的時(shí)空關(guān)系有著重要的指導(dǎo)意義。

目前，關(guān)于應(yīng)力與水力裂縫形態(tài)的關(guān)系研究較多，張帆等通過大尺寸真三軸試驗(yàn)，得出當(dāng)最大水平主應(yīng)力和垂向應(yīng)力相近且遠(yuǎn)大于最小水平主應(yīng)力時(shí)，易形成復(fù)雜的裂縫形態(tài)。龔迪光等采用ABAQUS數(shù)值模擬手段，發(fā)現(xiàn)增加水平地應(yīng)力差值有助于水力壓裂裂縫長度增加。嚴(yán)成增等利用FDEM-Flow方法，水力壓裂裂隙的起裂和擴(kuò)展主要由最大主拉應(yīng)力控制，裂隙在拉應(yīng)力集中的區(qū)域起裂。劉躍東等通過理論分析，發(fā)現(xiàn)水壓致裂法和巴西劈裂法測量抗拉強(qiáng)度與應(yīng)力場有關(guān)。孟尚志等 開展大尺寸真三軸水力壓裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水力裂縫起裂方向受地應(yīng)力條件及天然弱面共同控制。姜婷婷等對(duì)大尺寸原煤進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)較小的地應(yīng)力差異系數(shù)更利于網(wǎng)狀裂縫的形成。考佳瑋等經(jīng)過真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高水平地應(yīng)力差下水力裂縫沿垂直最小主應(yīng)力方向起裂并擴(kuò)展成橫切縫。文獻(xiàn)采用有限元分析手段，得出裂縫起裂壓力的變化規(guī)律與地應(yīng)力場類型密切相關(guān)。馮彥軍等通過資料分析，得出直井水力壓裂效果主要受地應(yīng)力及儲(chǔ)層流體可疏導(dǎo)性等因素的控制，但受采動(dòng)影響后的地應(yīng)力偏轉(zhuǎn)規(guī)律卻鮮有研究。因此，以大同礦區(qū)某礦地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，采用FLAC3D軟件，對(duì)回采巷道頂板應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬。通過分析主應(yīng)力值變化、最大最小主應(yīng)力比值變化以及最大主應(yīng)力方位角偏轉(zhuǎn)規(guī)律，以期為現(xiàn)場水力壓裂切頂提供理論基礎(chǔ)。

1工程背景

大同礦區(qū)某礦主采11號(hào)煤層，層厚4.0m，地層傾角0°～7°，采用一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板。煤層基本頂為26m厚的砂巖，難以垮落并使回采巷道圍巖應(yīng)力集中，變形劇烈。因擬采用軸向水力壓裂法進(jìn)行切頂卸壓護(hù)巷，需要探討受工作面回采影響，上覆巖層應(yīng)力變化規(guī)律。煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1所示。

2模型建立

采用FLAC3D建立x（工作面長度方向）×y（工作面推進(jìn)方向）×z（豎直方向）=220×256×73m的數(shù)值模型，共137862網(wǎng)格，157630節(jié)點(diǎn)。模型底部固支，側(cè)面限制水平位移，頂部施加面力代替覆巖重量，采用摩爾-庫倫模型，考慮重力g=9.81m/s2，分別對(duì)x：y方向地應(yīng)力為1∶1，1∶1.5，1.5∶1三種方案進(jìn)行分析。采用Fish語言控制工作面推進(jìn)并記錄推進(jìn)距離，采用Table命令記錄深度分別為z=5、10、15m處（頂板軸向水力壓裂僅針對(duì)直接頂以上的厚硬巖層，深度從基本頂?shù)捉缣庨_始計(jì)算）的水平應(yīng)力和水平面的剪應(yīng)力（頂板軸向水力壓裂鉆孔垂直于頂板布置，僅水平面內(nèi)的應(yīng)力會(huì)對(duì)其壓裂效果造成影響），根據(jù)表1中的巖石物理力學(xué)參數(shù)，建立的數(shù)值模擬如圖1所示。

3結(jié)果分析

3.1主應(yīng)力值變化

隨著工作面向前推進(jìn)，不同層位的最大最小主應(yīng)力值變化規(guī)律如圖2所示。

由圖2可知，距離煤層不同高度時(shí)巖層的最大和最小水平應(yīng)力變化規(guī)律不同，距離煤層頂板較淺部曲線曲率變化較大，最大主應(yīng)力值多呈增大-減小-再增大變化，最小主應(yīng)力值變化也較為劇烈，這表明對(duì)于主應(yīng)力值，頂板淺部受采動(dòng)影響較深部更顯著。當(dāng)x、y方向地應(yīng)力比值為1∶1時(shí)，曲線曲率及主應(yīng)力值較其余方案明顯較大，這表明地應(yīng)力分布相對(duì)均勻的地區(qū)，進(jìn)行水力壓裂設(shè)計(jì)時(shí)更需要考慮工作面回采的影響。當(dāng)x、y方向地應(yīng)力比值為1∶1.5時(shí)，超前段回采巷道頂板最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差值不斷減小，而x、y方向地應(yīng)力比值為1.5∶1時(shí)，差值不斷增大，這表明采動(dòng)影響會(huì)使超前段回采巷道頂板沿工作面長度x方向的地應(yīng)力分量增大。

3.2最大最小主應(yīng)力比值變化

由監(jiān)測結(jié)果可知，最大最小主應(yīng)力比值變化規(guī)律如圖3所示。

由圖3可知，除x、y方向地應(yīng)力比值為1∶1.5方案外，頂板較淺部曲線曲率變化較大，最大最小主應(yīng)力比值呈增大-減小-再增大變化，這表明對(duì)于最大最小應(yīng)力比值，若沿工作面長度x方向的地應(yīng)力不是明顯較大的情況下，頂板淺部受采動(dòng)影響較深部更顯著。對(duì)于x、y方向地應(yīng)力比值為1∶1和1.5∶1的兩方案，最大最小主應(yīng)力比值變化規(guī)律相似，較淺部（z=5，10m）比值呈增大-減小-再增大變化，較深部呈增大-減小變化;對(duì)于x、y方向地應(yīng)力比值為1.5∶1的方案，頂板不同深度的比值變化規(guī)律均相同，均為減小-增大-再減小變化，這再次表明采動(dòng)影響會(huì)使超前段回采巷道頂板沿工作面長度x方向的地應(yīng)力分量增大，使得工作面長度方向地應(yīng)力較大的巷道頂板應(yīng)力在超前段分布更均勻。

3.3最大主應(yīng)力方位角偏轉(zhuǎn)規(guī)律

以最大主應(yīng)力方位角偏轉(zhuǎn)規(guī)律來描述地應(yīng)力偏轉(zhuǎn)規(guī)律，其定義如圖4所示。利用Fish語言將測點(diǎn)水平面（xy平面）內(nèi)的σx、σy、τxy記錄在Table中，轉(zhuǎn)換正負(fù)號(hào)（FLAC3D與巖石力學(xué)對(duì)應(yīng)力符號(hào)的規(guī)定不同）后利用應(yīng)力轉(zhuǎn)軸公式求解最大主應(yīng)力σ1、最小主應(yīng)力σ3、最大主應(yīng)力方位角α。最大主應(yīng)力方位角偏轉(zhuǎn)規(guī)律如圖5所示。

由圖5可知，頂板較淺部曲線曲率變化較大，這表明對(duì)于最大主應(yīng)力方位角，頂板淺部受采動(dòng)影響較深部更顯著。當(dāng)x、y方向地應(yīng)力比值為1∶1時(shí)，較淺部（z=5，10m）最大主應(yīng)力方位角均經(jīng)歷了減小-增大-再減小的過程，在0°上下波動(dòng)幅度較大，較深部（z=1m）偏轉(zhuǎn)角不斷增大且均為正值;當(dāng)x、y方向地應(yīng)力比值為1∶1.5時(shí)，不同深度處的最大主應(yīng)力方位角均經(jīng)歷了減小-增大的過程，且均大于70°;當(dāng)x、y方向地應(yīng)力比值為1.5∶1時(shí)，不同深度處的最大主應(yīng)力方位角均經(jīng)歷了增大-減小的過程，在0°上下波動(dòng)幅度較小，這表明應(yīng)力分布較均勻的地區(qū)，其地應(yīng)力方向受采動(dòng)影響更顯著，而地應(yīng)力方向較明顯的區(qū)域，在采動(dòng)影響時(shí)偏轉(zhuǎn)幅度有限。除x、y方向地應(yīng)力比值為1.5∶1方案偏離0°較小外，超前段回采巷道頂板最大主應(yīng)力方位均向0°方向偏轉(zhuǎn)，這再次表明采動(dòng)影響會(huì)使超前段回采巷道頂板沿工作面長度x方向的地應(yīng)力分量增大，結(jié)合預(yù)期的壓裂方向（工作面推進(jìn)y方向）以及壓裂裂縫的擴(kuò)展方向（最大主應(yīng)力方向），表明采動(dòng)影響導(dǎo)致的應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)對(duì)實(shí)施軸向水力壓裂是不利的。

4結(jié)論

（1）對(duì)于回采巷道頂板主應(yīng)力值，最大最小主應(yīng)力比值，以及最大主應(yīng)力方位角，頂板淺部受采動(dòng)影響較深部更顯著。

（2）對(duì)于回采巷道超前段，采動(dòng)影響會(huì)使頂板沿工作面長度方向的地應(yīng)力分量增大，使得最大主應(yīng)力方位向此方向偏轉(zhuǎn)。

（3）結(jié)合預(yù)期的壓裂方向（工作面推進(jìn)y方向）以及壓裂裂縫的擴(kuò)展方向（最大主應(yīng)力方向），采動(dòng)影響導(dǎo)致的應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)對(duì)實(shí)施軸向水力壓裂是不利的，進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮此效應(yīng)。

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