2019西安煤炭会议高富强

水压致裂卸压机理探讨中国煤炭科工集团高富强2019.09.09全国煤炭安全、高效、绿色开采与支护技术新进展会议2019水力压裂技术广泛应用于矿业、石油、天然气等领域。在煤矿中主要用于增透、顶板管理及卸压。(From::HydroFrac2.svg)水压致裂卸压后，支承压力到底是整体减小了还是转移了？为什么有些时候卸压效果很明显，有些时候不明显？两个问题:掘进方向应力迎头距离原岩应力爆破区卸压后卸压前开挖破坏区应力降低区应力集中区向深部转移，加大了应力集中区与巷道迎头距离。nστ1σ3σ1pσ−3pσ−水对结构面的作用：（1）降低有效应力（2）降低摩擦系数(Cappaetal.2019)600m730mHydraulicfractureDestressingzone101Longwallpanel101Tailgate103MaingatePillar30mSiltstoneFinegrainedsandstoneConglomerateMudstoneOverlyingCoal高压水对煤岩体的两个作用：1、产生新的水力压裂裂纹；2、激活煤岩体内的原生裂纹。压裂裂纹与激活裂纹参数：摩擦角=20°粘聚力=0红庆河101工作面01002003004005006007008009000510152025Depth(m)Stress(MPa)SHShSvLinear(SH)Linear(Sh)Linear(Sv)SHShSvLinear(SH)Linear(Sh)Linear(Sv)红庆河矿地应力场类型合理推断：压裂在回采前进行，压裂时顶板处于原岩应力状态，最小主应力是垂直应力，产生水平压裂裂纹。分段压裂间距较大（3m），压裂不受前压裂裂纹对局部应力场的扰动影响，可忽略应力阴影效益。可以合理假设压裂裂纹为一组平行裂纹，裂纹长度20m，由现场情况推断。应力阴影效益809010011012013014015016017030405060708050454035302520151050Sig1(MPa)8090100110120130140150160170304050607080煤柱应力整体降低了！压裂区101Tailgate103MaingateGobPeakabutmentpressure101Tailgate103MaingateGobPeakabutmentpressure水压致裂对工作面支承压力卸压会使得采动应力整体降低，而不是发生转移!05101520250510152025WithoutHFWithHFDepthintoPillar(m)VerticalStress(MPa)051015202505101520253035404550WithoutHFWithHFDepthintoPillar(m)VerticalStress(MPa)监测点#1监测点#2现场监测数据也显示煤柱应力整体降低8090100110120130140150160170304050607080在高采动应力作用下，压裂裂纹和激活裂纹发生滑动变形，导致采动应力降低。8090100110120130140150160170304050607080Destressingzone2m2m概念模型：1，验证应力会由于裂纹的滑动而降低；2，研究影响应力降低程度的主要影响因素：测压系数；裂纹密度.2019181716151413121110Sig1(MPa)K=1.0K=1.3K=2.0P21=2P21=4P21=800.51.01.52.000.51.01.52.000.51.01.52.00.51.01.52.000.51.01.52.00.51.01.52.000.51.01.52.00.51.01.52.000.51.01.52.00.51.01.52.000.51.01.52.00.51.01.52.000.51.01.52.00.51.01.52.000.51.01.52.00.51.01.52.000.51.01.52.00.51.01.52.0结果：1，测压系数越大、应力降低幅度越大；2，裂纹密度越大、应力降低幅度越大。8090100110120130140150160170304050607080Destressingzone50454035302520151050Sig1(MPa)摩擦角=20°8090100110120130140150160170304050607080Destressingzone摩擦角=30°05101520253035404550105110115120125130135Verticalstress(MPa)Distance(m)NoHFHFFric=30摩擦角增大,滑动变形变难,卸压效果减弱.开挖方向22334567891045678910预置压裂区域3m1.5m铺设一架模型，以降低由于模型材料、铺设方法、晾干温度时间等不确定性对模拟结果的影响；工作面开挖由模型中间向两侧同时进行；物理模型依据王台铺矿工程地质条件铺设，几何相似比1：160；原生裂纹（层理、节理）和预置压裂裂纹通过云母粉薄层模拟。0.000.250.500.751.001.251.500.0000.0040.0080.0120.0160.0200.0240.0280.032WHFHFVerticalStress(MPa)DistancefromtheMiningBoundary(m)1、预置压裂裂纹通过薄云母粉层模拟不恰当，模拟的裂纹虽然没有抗拉强度，但由于模型干燥时间短、模型仍处于比较湿润的状态，云母粉粘结到裂纹两个对立面上，导致裂纹仍具有一定的粘结强度，且摩擦系数高；2、通过挖出开挖区内模型材料的办法开挖模型对整个模型的扰动太大。模拟失败!预置压裂区3.0m1.5m0.00.30.60.91.21.50.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.035WHFHFDistancefromMiningBoundary(m)VerticalStress(MPa)相似模拟结果验证了水压致裂卸压机理对顶板进行水力压裂，一方面可以产生新的压裂裂纹，另一方面可以激活原生裂纹如层理和节理；在高采动应力作用下，压裂裂纹和激活裂纹发生滑动变形，导致采动应力降低。水力压裂卸压机理：水力压裂卸压效果的影响因素是什么？80901001101201301401501601703040506070808090100110120130140150160170304050607080DestressingzoneDestressingzone压裂区应布置在支承压力作用到煤柱的路径之上,这样一方面较大的应力产生较大滑动变形释放较大应力,另一方面是起到’阻断’支承压力传递的作用.压裂区域:50454035302520151050Sig1(MPa)1σ1σ3σ3σβ1σ1σ3σ3σ1231σ3σnστµ2β123nτσµ=库伦准则：0.6µ=60oβ=时，3σ1σ3σ1σ3σ1σ3σ1σ水力压裂应在工作面支承压力开始显现前进行,压裂裂纹在原岩应力条件下呈水平或竖直,支承压力到来时容易产生滑动变形以释放压力.压裂时机:0510152025303540010203040Verticalstress(MPa)Distance(m)NoHFHF与最大主应力方向平行的倾斜裂纹卸压效果不明显!50454035302520151050Sig1(MPa)结论对顶板进行水力压裂，一方面可以产生新的压裂裂纹，另一方面可以激活原生裂纹如层理和节理；在高支承压力作用下，压裂裂纹和激活裂纹发生滑动变形，导致支承压力降低。压裂区应布置在支承压力作用到煤柱的路径之上,这样一方面较大的应力产生较大滑动变形释放较大应力,另一方面是起到’阻断’支承压力传递的目的。水力压裂应在工作面支承压力开始显现前进行,压裂裂纹在原岩应力条件下呈水平或竖直,支承压力到来时容易产生滑动变形以释放压力。