用水力压裂处理坚硬顶板的机理及实验研究.pdf

第 2 5卷第 1 期 2 0 0 0年 2月 煤 炭 学 报 J O UR N AL O F C HI N A C O AL S OC I E T Y vd 2 5 No 1 F e b 2 0 0 0 文 章 编 号 0 2 5 3 9 9 9 3 2．0 0 0 0 1 0 0 3 2 0 弓 7 7 ． ≥弓 一 用水力压裂处理坚硬顶板的机理及实验研究 旦 丝 ， 主 ， 康 立 军 ， 史 元 伟 ， 汪 有 刚 ， 李 颖 飞 摘要提出了用人工切槽注入高压水，人为定向将坚硬老项分层，从而降低其来压强度的控制 坚 硬顶板的新途径，论述了水力压裂机理、裂缝扩展的基本条件厦裂缝扩展的方向，井用实 验验 证 了理论研究成果． 关 键 词 鳖 垦 塑 丝 ； 查 垄 墨 整 ； 垄 皇 塑 墼 丁 j足 芊 久 中圈分类号 T D 3 2 7 2 3 文献标识码 A 。 坚硬顶板厚度大、强度高、整体性强、结构致密，构造弱面和节理裂廉不发育，井下开采时顶板来压 强度高，严重威胁工作面的安全 ．坚硬顶板控制一直是矿 山压力研究 的热点和难点 从 7 O年代起我国对 长壁开采坚硬顶板控制进行了细致深入的研究，形成了工作面前方预注水、预裂爆破和采空区强制放顶等 技术．笔者通过研究认为，用水力压裂技术人为定向对坚硬顶板分层，减小老顶分层垮落厚度， 提高冒落 顶板在采空区的碎胀系数，可降低顶板来压强度， 保证工作面安全． 1 厚且完整性强坚硬顶板处理的基本原则 把老顶岩层初次垮落视为简支梁模型 ，其初次来压步距为 L 。 2 h,／ Rt ／ E 3 p h 4 - h 1 ] ， 1 式中，为老顶岩层厚度 ；h l 为作用于老顶岩层上的载荷层厚度；R 为老顶岩层极限抗拉强度 ；p为老 顶岩石密度 为说明处理坚硬顶板的机理， 对式 1 进行计算，取R 2 ． 8 MP a ，p 2 5 0 0 k g ／ m 3 ．① 令h l 1 0 m， 计算不同老顶厚度时初次来压步距 L 。 ；② 令 h1 0 m，计算不同老顶载荷层厚度时老顶初次来压步距 L 。 将2 种情况下的计算结果作成如图 1 a 所示曲线 若将老顶岩层初次垮落视为周边固支板模型， 是 耳崖／ m a 胀， 血 b 图 1 老顶初次来压步距 L。 与层厚 h及载荷层 1 的关系 F i g - 1 e r e l a t ic mh i p b e t w e e nfi r s t a 恤s p a n o f n m l n r o o f L。 ． a n di t s h l , h t i t s 】 嘞d h z a 按茼支粱模型计算； b 按固支板模型计算；1 L P L p ；2 一L p L p 1 收藕日 期1 9 9 9 0 7 1 5 维普资讯 第 1 期 同步宏等 用水力压裂处理坚硬顶板的机理及实验研究 可 得出老顶初次来压步距[ 1 为L 。 [ h ／ 1 一 ][ 2 矗 1 { h 1 1 { ] ， 其中， 为岩层泊松比； t 为采空区几何形状关系， l L ／ Lo ； L ， L o 分别为工作面的推进距离和长度 ． 同样分2 种情况计算老顶来压步距． O h 1 1 0m； ② h 1 0m． 取 0 ． 2 ， R 2 ． 8MP a ， L o 1 5 0m。 口 2 5 0 0 k g ／ r n 3 ． 将 2种情况的计算结果作成如图 1 b 所示曲线． 由上述 4 种情况的计算结果可知，老顶初次来压步距 L 。 与其层厚 h 、加载层厚度 l 的关系 L L 。 。 1 ／ h 】 ．由于支架载荷 P与老顶来压步距同趋势增大 ，因此 PP L ，h ．1 ／ h 1 ． 通过上述分析，认为处理厚而完整性强的坚硬顶板可采取以下途径 ① 将老顶岩层人为定向分层， 降低原来老顶岩层的厚度，同时增加作用于老顶岩层载荷层厚度，减小老顶来压步距。从而减轻支架受 载； ② 降低岩层 R O D值，减轻顶板作用于支架上的载荷． 2 水力压裂定向分层的机理 水力压裂是利用特殊的开槽钻头人为在顶板中形成切槽 ，注人高压水 ，利用高压水在切槽靖部产生的 拉应力使顶板岩层定向分层．从而减轻顶板来压强度 J ． 2 ． 1 高压水在切檀裂缝端部产生的●大拉皮力 人为在坚硬顶板中切槽后．厚而完整的老顶岩层变为舍有裂晾的臆性体，力学模型如图2 所示．根据 G r if f i t h 强度理论，作用于椭圆裂晾上的正应力 ， 及f ，最大主应力 最小主应力 有如下关 系[ 3 ] ，即 d 一 。 g r v a h 一 r v - -} o 0 s 2 卢 。 a v - a h s 1, n 2 卢 ． 椭圆裂隙周边上的偏心角为 a 的任意点。其坐标 zn ∞s 口 ， b s i n a ，如图 3 所示，该点的切向 图 2 切槽裂麓受力 F i g． 2 S t r e s s s l a t e o f T n 眦 一n 】 a d e f i 整u r e 应力 可由弹性力学 I n g l is 解答确定，即 一 t I I 每‘ ， 一 r’ 一 一 ‘‘ ／ 图 3 切槽 裂缝上的应力 F ． 3 S e r e m 。 nt h e蚴一ma d efi s s u r e { [ m m2 e o a一 n 2 a ] [ 1 2 m ff t am o o a ] 1 m s in a c 。 s a } m o o 口s i 口 。 其中，mn ／ b ．令 a 府口 0 ， a a ． ／ a o ，可得椭圆裂晾上最大主应力 ，此时裂晾与最大主应 力 夹角 及裂隙面上最大主应力位置a 为 ， c 。s 辅一 f 二 主 2 1 O “v p d h 2 ． 2 膏压水促使切檀裂缝扩晨的基本条件 力学模型如图4 所示，根据弹性力学理论．在 A，B两尖点的强度因子KI 由2 部分组成[ ，即 维普资讯 维普资讯 第 1期 囝少宏等用水力压裂处理坚硬璜扳的机理爱实验研究 K 田6 平均水平应力与垂直应力的比值随埋深的变化 F i g． 6 Th e“r e l a t io n s h i p b e t we e n r a t i o 0 f r a e a n h o t i a mt a l Ⅱ 瞄t o v e r t i c a e 岛 a n d h e i g h t 5 结 论 圈 7 水压裂试验结果 ．7 Hy d ml mmk a g et e s t r e s u l t 1 将坚硬顶板人为分层，降低老顶岩层每次垮落厚度或步距，可降低老顶的来压强度． 2 用特殊设计的钻头在坚硬顶板中人工切槽，注人高压水可在切槽靖部形成较大的拉应力，在抵抗 顶板岩层拉应力、地应力和层面水流摩擦力时裂晾可扩展，实现对顶板的人为定向分层． 3 沿切槽端部新生裂隙的扩展方向决定于袭昧与最大主应力的相对位置．最终扩展趋向为最大主应 力方向． 4 实验结果验证了切槽钻头的可行性与高压注水的分层效果． ●考文献 [ 1 ] 膝炎光，钱鸣高 中且煤矿果垢圈岩控蒯 [ M] ．撩州中且矿业大学出J 蛭 社，1 9 9 4 [ 2 ] ． 孙守山，宁宇，葛钧．披兰煤矿坚硬疆扳定向压裂技术 [ J ] ．煤炭科学技术．1 9 9 9 2 i 5 1 --5 2 [ 3 ] 华东水利学院． 成都科学技术大学 ． 岩石力学 [ M] ．北京水力电力出版社．1 9 8 6 [ 4 ] 张金才，张玉卓，羽天泉．岩体渗流与煤层底扳突水 [ M] ．北京地质出版社， 1 9 8 7 [ 5 ] 周雏垣．高等岩石力学 [ M】 ．北京i水利电力出版社，1 9 8 9 作者筒介 囝少宏 1 9 6 6 一 ，男，博士，高级工程师．1 9 9 5 年毕生于中国矿生大学北京研究生部．主要从事藏疆煤开采与矿山 压力爱其控制方面的研究工作，发表学术论文 2 0采篇． T h e me c h a n i s m o f h y d r o b r e a k a g e t o c o n t r o l h a r d r o o f a n d i t s t e s t s t u d y Y A N S h h o n g ， NI NG Y u ， KA NG L i - i u n ， S HI Y u a n - we i ， WA NGY o u - g a n g，L I Y i a g - f e l ＆ 讥 且 _ H 吐 I n a i t u C a d触 岫 ． C C a dR u mr d h ￡ ， 凸 1 0 0 0 1 3 ，C 眦 Ab s t r l e t A n e a r wa yi s p u t f o r wa r dt oo a n t ml h a r d r o o f ，wh i c hi s o f i e c t t n gh i g h p | 眦wa t e t l l K咀 t h e ma n I n a d efi s t u - e s t o s l i c e t h e h a r d r o da n d s o f t e nt h e s i 2 - e l ho f w e i g h t i n g ． T h e p r i n c i p l e o f r d ∞b t 蛔g e ， t h e c r i t e r k m a n d d i r e c t i o n o ffi s s u r ed e v e k vme n t 8 r e a l s o d i s c u s s e d ． Th e s et h e c c e t l c a l r e s u h aa r e p | b o E tl e t e s t a． K e y w o r d s h a r d r o o ； h y d r o b ；t e n s i le s t r e s s ； R O Din d e x 维普资讯