国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

定向水力致裂堅(jiān)硬頂板的數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)踐

2014-04-18 06:03劉麗萍
關(guān)鍵詞:水壓水力定向

劉麗萍

(內(nèi)蒙古烏海市煤炭局國有安監(jiān)科,內(nèi)蒙古烏海市016000)

在煤礦開采中,堅(jiān)硬難垮頂板是指賦存在煤層上方厚而穩(wěn)定、堅(jiān)硬的砂巖、礫巖或石灰?guī)r等巖層,具有強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大、整體性強(qiáng)、自承能力強(qiáng)等特點(diǎn)。煤層開采后,堅(jiān)硬難垮頂板大面積懸露在采空區(qū)而不垮落,一旦垮落,一次垮落的面積大,有強(qiáng)烈的周期性來壓,且來壓時有明顯的動力現(xiàn)象,容易造成支護(hù)設(shè)備損壞,甚至出現(xiàn)危及人身安全的惡性事故[1-2]。

對于如何治理堅(jiān)硬頂板問題,我國從上世紀(jì)五十年代就開始對其進(jìn)行研究,在研究的過程中也積累了許多經(jīng)驗(yàn)。目前對于堅(jiān)硬頂板的治理主要以強(qiáng)制爆破放頂為主,以高壓注水弱化頂板和高壓水射流切槽等措施[3]為輔。然而爆破控制堅(jiān)硬頂板存在許多不足[4-6]:

(1)工程量大、成本高、污染井下空氣,影響工人的作業(yè)環(huán)境。

(2)在高瓦斯礦井,尤其是煤與瓦斯突出礦井中爆破放頂時,易造成瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出事故。

(3)對于埋藏較淺的礦井,爆破放頂易毀壞地面建筑,例如王臺鋪煤礦進(jìn)行爆破放頂時造成地面居民房屋開裂。

定向水力致裂技術(shù)作為一種先進(jìn)的堅(jiān)硬頂板控制技術(shù),最早在波蘭進(jìn)行了推廣應(yīng)用,取得了很好的效果。最近幾年,我國也相繼開展了水力致裂方面的研究,閆少宏等[7]認(rèn)為通過巖層致裂可以有效弱化頂板強(qiáng)度,從而減少頂板垮落步距;鄧廣哲等[8]通過研究致裂裂縫的特征,得出裂縫大小與水壓壓力呈正相關(guān)。

基于以上研究背景,本文對堅(jiān)硬頂板水力致裂進(jìn)行了數(shù)值模擬和工業(yè)試驗(yàn),以期弄清堅(jiān)硬頂板致裂機(jī)理,并能為水力致裂堅(jiān)硬頂板提供理論依據(jù)。

1 巖石定向水力致裂原理

水力致裂原理是通過在巖層中進(jìn)行預(yù)先切槽,切槽處在高壓水的作用下,應(yīng)力值和應(yīng)變值急劇增加,當(dāng)應(yīng)力和應(yīng)變超過一定值時,巖石就會開裂,則頂板就會被壓裂。

定向水力致裂技術(shù)的關(guān)鍵在于預(yù)先切槽,由于在致裂部位產(chǎn)生了內(nèi)嵌楔形槽,高壓水在開槽部位會產(chǎn)生應(yīng)力集中,尖端應(yīng)力值σmax和應(yīng)變值εmax急劇增加。

式中,Kσ為應(yīng)力集中系數(shù),Kσ≥1;Kε為應(yīng)變集中系數(shù),Kε≥1。

當(dāng)注水壓力升高至某一值時,σmax,εmax滿足巖石開裂條件,頂板巖石便被壓裂。

定向水力致裂壓力臨界值為:

高壓泵流量大小也是影響水力致裂效果的重要指標(biāo)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),通常要求高壓泵流量不能低于80L/min,否則會減小致裂范圍而降低致裂效率。

2 堅(jiān)硬頂板定向水力致裂數(shù)值模擬

FLAC軟件是一種工程力學(xué)計(jì)算的顯式有限差分程序,主要模擬土、巖石等材料的力學(xué)行為,內(nèi)部含有多個力學(xué)模型,如彈性模型、摩爾–庫倫模型。不但可以模擬巖石的線性問題,也可以模擬巖石的非線性問題。

RFPA數(shù)值模擬是一種基于有限元應(yīng)力分析和統(tǒng)計(jì)損傷理論的材料破裂過程計(jì)算方法,能夠模擬材料漸進(jìn)破裂直至失穩(wěn)全過程的數(shù)值試驗(yàn)工具。

針對模擬目的的不同選擇適合的數(shù)值模擬方法,本文采用FLAC2D模擬圍巖的應(yīng)力集中程度,采用RFPA2D模擬巖石的裂紋擴(kuò)展情況。

2.1 模型建立

采用FLAC2D建立二維模擬模型,模型尺寸為600mm×700mm,模型共分100×100的網(wǎng)格,本構(gòu)模型采用彈性模型,鉆孔直徑42mm。模型上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力 (施加應(yīng)力值采用深度為400m地應(yīng)力實(shí)測值10MPa,模型兩側(cè)面施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力,水平壓應(yīng)力根據(jù)側(cè)壓系數(shù)進(jìn)行計(jì)算后得到),模型下表面垂直位移和模型側(cè)面水平位移固定。

2.2 模擬結(jié)果分析

注水前,鉆孔切槽尖端的應(yīng)力分布云圖和鉆孔水平沿監(jiān)測線垂直應(yīng)力分布曲線見圖1所示。從圖中可以看出,注水前,鉆孔切槽部位形成了壓應(yīng)力集中,應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到3~3.5。

圖1 注水前鉆孔水平沿監(jiān)測線垂直應(yīng)力分布曲線

注水后 (注水壓力為15MPa),鉆孔尖端的應(yīng)力分布云圖和鉆孔水平沿監(jiān)測線垂直應(yīng)力見圖2所示。從圖中可以看出,由于切槽的尖端效應(yīng),注水后形成拉應(yīng)力集中,集中系數(shù)達(dá)到3~3.5。

為了進(jìn)一步分析水力致裂裂紋擴(kuò)展情況,采用RFPA2D數(shù)值模擬軟件,模擬在頂板巖層中進(jìn)行定向水力致裂時裂紋擴(kuò)展情況,裂紋擴(kuò)展示意圖見圖3所示。

圖2 注水后鉆孔水平沿監(jiān)測線垂直應(yīng)力分布曲線

圖3 定向水力致裂孔周邊裂紋擴(kuò)展情況

從圖3中可以看出,首先在鉆孔切槽附近形成裂紋,隨著壓裂時間的延長,裂紋逐漸向外擴(kuò)展,擴(kuò)展方向沿著切槽方向,正是由于切槽效應(yīng),較小的水壓即可形成大范圍的裂紋擴(kuò)展,不但提高了致裂效率,也大大降低了致裂成本。

3 堅(jiān)硬頂板水力致裂工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與鉆孔布置

本次工業(yè)性試驗(yàn)地點(diǎn)為煤峪口煤礦410盤區(qū)81008工作面的回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷。開孔位置距頂板200~300mm,鉆孔長度為30m,孔間距為20m,仰角10°,鉆孔水平投影與巷道夾角為70°,鉆孔直徑為φ38mm。鉆孔布置見圖4所示。

圖4 鉆孔布置示意

壓裂地點(diǎn)頂板巖石抗拉強(qiáng)度為9.32MPa,抗壓強(qiáng)度120MPa,垂直主應(yīng)力5.5MPa,最大水平主應(yīng)力7.71MPa,最小水平主應(yīng)力為4.65MPa。

根據(jù)工作面頂板巖層的特點(diǎn),在工作面運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷布置定向水力致裂鉆孔,實(shí)時監(jiān)測致裂鉆孔兩側(cè)鉆孔涌水情況,通過觀測兩側(cè)鉆孔涌水情況分析水力致裂裂隙擴(kuò)展范圍。

3.2 試驗(yàn)機(jī)具與設(shè)備

(1)開鑿設(shè)備 KC38鉆頭的直徑為38mm,成孔直徑42mm,該鉆孔小于傳統(tǒng)的鉆孔 (預(yù)裂爆破),這樣有利于提高鉆進(jìn)效率。

(2)封隔器 主要是對開槽處進(jìn)行封孔,從而使水保持較高的壓力,該封隔器不但可以較好地進(jìn)行封孔,還可以進(jìn)行不同深度的封孔,從而達(dá)到一個鉆孔多次壓裂的目的,增加壓裂效果。

(3)注水壓力 合理選取高壓注水泵的壓力和流量是影響水力致裂效果的關(guān)鍵,根據(jù)彈性理論,裂縫產(chǎn)生所需的破裂壓力計(jì)算式為:

P=1.3×(9.32+4.65)=18.2(MPa)

此外,由于高壓注水管路和泵站存在一定的工作阻力,個別區(qū)域巖石的抗拉強(qiáng)度和地應(yīng)力數(shù)值也有差別,為了能保證壓力留有一定余量,確定高壓注水泵的額定壓力為35MPa。綜合考慮電機(jī)功率、設(shè)備體積及礦井實(shí)際條件等因素,確定泵的流量為120L/min。

3.3 試驗(yàn)過程

首先進(jìn)行鉆孔,鉆孔完成后,利用窺視儀設(shè)備進(jìn)行圍巖窺視,確定圍巖完整區(qū)域,然后利用切槽鉆頭在圍巖完整區(qū)域進(jìn)行開槽。開槽完成后,采用封隔器對開槽區(qū)域進(jìn)行封孔,然后連接封孔設(shè)備,對封孔器進(jìn)行注氣封孔,封孔器中的氣壓在15MPa左右,最后連接高壓注水泵,安裝水壓儀,對鉆孔不同深度的巖層進(jìn)行分層壓裂。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 壓裂鉆孔周圍監(jiān)測孔觀測

通過監(jiān)測布置在壓裂鉆孔兩側(cè)的監(jiān)測鉆孔涌水情況來分析裂縫的擴(kuò)展范圍。試驗(yàn)時,監(jiān)測孔分別位于致裂孔15m,18m,20m,23m,通過致裂過程觀察監(jiān)測孔涌水情況。

當(dāng)監(jiān)測孔距離致裂孔15m和18m時,壓裂10~15min,監(jiān)測孔有大量水涌出;當(dāng)監(jiān)測孔距離致裂孔20m時,壓裂20min左右,監(jiān)測孔的水量有少量水流出;當(dāng)監(jiān)測孔距離致裂孔23m時,壓裂30min,監(jiān)測孔沒有水流出。進(jìn)行多組同樣試驗(yàn),壓裂情況與該孔壓裂情況基本相同。

4.2 高壓泵水壓波動曲線分析

注水致裂試驗(yàn)過程中,記錄了2個孔的注水泵壓力波動曲線,變化曲線見圖5、圖6所示。

圖5 1號孔泵站壓力波動曲線

圖6 2號孔泵站壓力波動曲線

從圖5可以看出,在壓裂開始時,水壓儀壓力逐漸上升,達(dá)到17MPa時,突然泵壓下降,這主要由于巖層開裂,卸壓導(dǎo)致泵站壓力下降,隨著裂縫擴(kuò)展,泵站壓力開始保持穩(wěn)定,裂紋慢慢地進(jìn)一步擴(kuò)展,當(dāng)裂紋擴(kuò)展至周圍鉆孔時,泵站壓力開始下降,關(guān)閉高壓泵,注水結(jié)束。

從圖6可以看出,在高壓泵壓裂時,水壓儀監(jiān)測曲線波動比較明顯,水壓升降劇烈,這主要由于巖層中存在很多裂隙、弱結(jié)構(gòu),當(dāng)高壓水進(jìn)入裂隙帶時,泵的水壓就會急劇下降,反之,則會急劇增加。

4.3 工作面來壓步距觀測

該工作面在未進(jìn)行定向水力致裂以前,屬于堅(jiān)硬難垮落頂板,工作面頂板的初次來壓步距達(dá)到了35m,周期來壓步距也達(dá)到了26m。來壓時,工作面有明顯的動力現(xiàn)象,工作面的支架經(jīng)常受到?jīng)_擊破壞,巷道加強(qiáng)支護(hù)段錨桿也出現(xiàn)破斷現(xiàn)象。對該工作面進(jìn)行定向水力致裂以后,周期來壓步距基本在13~16m,來壓過程中,沖擊明顯減弱,巷道錨桿未見破斷現(xiàn)象。

綜上,定向水力致裂技術(shù)有效地改善了堅(jiān)硬頂板的難垮落問題,并且由于采用了切槽技術(shù),在切槽處形成了應(yīng)力集中現(xiàn)象,所需壓力基本低于裂縫擴(kuò)展壓力。但是在工程實(shí)踐過程中,也存在一些問題,例如封孔困難、壓力不足等,這些問題有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

通過對堅(jiān)硬頂板水力致裂進(jìn)行數(shù)值模擬和工業(yè)性試驗(yàn),得出如下結(jié)論:

(1)在進(jìn)行水力致裂時,切槽可有效降低裂縫破裂所需壓力;采用氣體膨脹式封隔器可對巖層堅(jiān)硬段進(jìn)行分段逐次壓裂。

(2)定向水力致裂可使裂縫在頂板中擴(kuò)展一定范圍,隨著壓裂處與孔口距離的增大,裂縫破裂和擴(kuò)展所需的壓力也相應(yīng)增大。

(3)在壓裂過程中,壓力-時間曲線并不完全相同,這主要是因?yàn)閹r石是非均質(zhì)體,再加上受圍巖裂隙、地應(yīng)力等因素的影響。

[1]靳鐘銘,徐林生.煤礦堅(jiān)硬頂板控制[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1994.

[2]陳炎光,錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[3]謝長虹.煤礦井下穿層鉆孔水力壓裂的現(xiàn)場應(yīng)用研究[J].煤礦開采,2013,18(3):105-108.

[4]艾燦標(biāo),賈獻(xiàn)宗,呂 濤,等.新義煤礦水力壓裂試驗(yàn)與效果分析[J].煤礦開采,2010,15(4):109-112.

[5]史元偉,寧 宇,魏景云.采煤工作面圍巖控制原理和技術(shù)(下)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[6]張 寅,韓榮軍.沿煤高壓水力壓裂試驗(yàn)與效果[J].煤礦開采,2010,15(2):95-98.

[7]閆少宏,寧 宇,康立軍,等.用水力壓裂處理堅(jiān)硬頂板的機(jī)制及實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報,2000,25(1):32–34.

[8]鄧廣哲,王世斌,黃炳香.煤巖水壓裂縫擴(kuò)展行為特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(20):3489–3492.

猜你喜歡
水壓水力定向
末級壓出室水力結(jié)構(gòu)對多級離心泵水力性能的影響
貧甲醇泵的水力設(shè)計(jì)與數(shù)值計(jì)算
水壓的杰作
適用于厚度在線測量的水壓閉環(huán)控制系統(tǒng)
基于FANUC-31i外部一轉(zhuǎn)信號在三檔主軸定向中的應(yīng)用
定向越野
戽流消能水力特性數(shù)值模擬
水力噴射壓裂中環(huán)空水力封隔全尺寸實(shí)驗(yàn)
水壓預(yù)裂技術(shù)在低透氣性煤層中的應(yīng)用研究
基于虛擬社區(qū)的定向出版模式