CN109681180B - 煤矿地面压裂坚硬顶板控制采场强矿压效果预评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及采用地面垂直井压裂的方法对坚硬顶板进行压裂弱化时的压裂效果预评价，具体为煤矿地面垂直井压裂坚硬顶板控制采场强矿压效果预评价方法，填补目前缺乏地面压裂效果预评价方法的空白。具体步骤为：一、结合垂直压裂井布置方式分析压裂裂缝扩展形态；二、建立两个数值模拟模型①和②，在模型②中压裂目标层内加入裂缝分布；三、记录压裂目标层破断前后对工作面超前煤体应力峰值的影响；四、对模型①和②记录的应力峰值进行对比分析，评定地面压裂效果等级。优点：预测结果全面，预测模型灵活、实用，应用前景广阔。

Description

煤矿地面压裂坚硬顶板控制采场强矿压效果预评价方法
技术领域
本发明属于采用地面压裂技术对坚硬顶板进行压裂弱化控制技术领域，具体是一种煤矿地面垂直井压裂坚硬顶板控制采场强矿压效果预评价方法。
背景技术
地下煤层开采时，上覆岩层受扰动发生破断失稳，对工作面造成矿压危害；尤其对于坚硬顶板条件，因顶板抗拉强度大，破断步距广，坚硬顶板的破断失稳更易造成采场强矿压显现，因此对于坚硬顶板的控制尤为重要。采用地面水力压裂坚硬顶板的方法，即通过地面压裂装备对煤层上覆坚硬顶板进行压裂，降低顶板的完整性和破断步距，从而实现减弱采场矿压的目的，是目前对于坚硬顶板控制的一个创新性强、效果显著的控制技术措施。但地面压裂是一个复杂的工程，且一次压裂成本较高，因此，应提前对地面压裂的效果进行预评价，以反馈优化压裂工艺和参数选取，尽最大可能提高压裂效果。
发明内容
本发明为了解决煤层上覆坚硬顶板条件下，采用地面压裂技术对坚硬顶板进行弱化控制时的压裂效果预评价方法，以反馈优化地面压裂参数和工艺，提高压裂效果，保证坚硬顶板条件下煤层的安全高效开采，提供一种煤矿地面垂直井压裂坚硬顶板控制采场强矿压效果预评价方法。
本发明采取以下技术方案：一种煤矿地面垂直井压裂坚硬顶板控制采场强矿压效果预评价方法，包括以下步骤，
a.压裂裂缝扩展方向总是垂直于最小主应力方向，平行于最大主应力方向，根据压裂目标层三向应力分布状态，分析采用垂直井压裂时，压裂裂缝在压裂目标层中的分布形态；
b.自工作面上方地表垂直向下打钻孔至煤层处对覆岩各岩层进行取芯，实验室测试各煤岩层取芯试件的容重、抗拉强度、抗压强度、弹性模量、泊松比各项物理力学参数；
c.依据各煤岩层的物理力学参数，结合工作面开采煤层厚度、工作面长度、推进长度，采用3DEC数值模拟软件建立两个数值模拟模型①和②，模型①根据煤岩层物理力学参数及工作面开采特征进行建模，模型②在模型①的基础上，根据压裂裂缝分布形态，在压裂目标层中加入裂缝面的赋存；
d.两个数值模型中煤层每步开挖的距离及开挖步数根据工作面实际单步开采距离确定，随煤层开挖，记录模型①和②中，压裂目标层临界破断前工作面超前煤体应力峰值σ0 ①、σ0 ②，以及压裂目标层破断回转时工作面超前煤体应力峰值σ①、σ②；
e.比较分析模型①和②中压裂目标层临界破断前后工作面超前煤体应力峰值大小，若σ②=（0.1~0.3）σ①、σ0 ②=（0.1~0.6）σ0 ①，则认为地面压裂效果极好，若σ②=（0.1~0.3）σ①、σ0 ②=（0.7~1.0）σ0 ①或σ②=（0.4~0.6）σ①、σ0 ②<σ0 ①，则认为地面压裂效果较好，若σ②=（0.6~0.8）σ①、σ0 ②<σ0 ①，则认为地面压裂效果一般，若σ②=（0.9~1.0）σ①、σ0 ②<σ0 ①，则认为地面压裂效果较弱。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：1）预测结果包含了所有可能出现的对比情况，保证了预测结果的全面性；2）所建立的数值模拟模型可根据地质条件的变化而变化，保证了预测模型的灵活性和实用性；3）预先采用模拟研究的方法判定地面压裂效果，若效果不足可及时进行地面压裂参数优化，避免了地面压裂成本过高，盲目性太强，保证了地面压裂技术的实施效果，应用前景广阔。
具体实施方式
下面以大同矿区坚硬顶板特厚煤层开采条件的地面压裂目标层选取为例，对本发明作进一步的描述：
一种地面压裂坚硬顶板控制强矿压效果预评价方法，其主要步骤在于：
a.压裂裂缝扩展方向总是垂直于最小主应力方向，平行于最大主应力方向，根据压裂目标层三向应力分布状态，σH＞σh＞σv，其中σH分布方向平行于工作面推进方向，分析采用垂直井压裂时，压裂裂缝在压裂目标层中的分布形态为一水平裂缝面；
b.自工作面上方地表垂直向下打钻孔至煤层处对覆岩各岩层进行取芯，实验室测试各煤岩层取芯试件的容重、抗拉强度、抗压强度、弹性模量、泊松比各项物理力学参数；
c.依据各煤岩层的物理力学参数，结合工作面开采煤层厚度20m、工作面长度100m、推进长度1200m，采用3DEC数值模拟软件建立两个数值模拟模型①和②，模型①根据煤岩层物理力学参数及工作面开采特征进行建模，模型长度1600m，宽度300m，高度建至地表，模型在推进方向留设200m保护煤柱，在宽度方向留设100m保护煤柱，模型②在模型①的基础上，根据压裂裂缝分布形态，在压裂目标层中加入裂缝面的赋存；
d.两个数值模型中煤层每步开挖的距离及开挖步数根据工作面实际单步开采距离确定，工作面单步开采距离为5m，设置模型每步开挖距离为5m，开挖直至模型边界结束，随煤层开挖，记录模型①和②中，压裂目标层临界破断前工作面超前煤体应力峰值σ0 ①、σ0 ②，以及压裂目标层破断回转时工作面超前煤体应力峰值σ①、σ②；
e.比较分析模型①和②中压裂目标层临界破断前后工作面超前煤体应力峰值大小，模拟计算结果发现，σ②=20MPa、σ①=45MPa，σ0 ②=15MPa，σ0 ①=40MPa，由此可知σ②=0.4σ①、σ0 ②=0.38σ0 ①，则认为地面压裂效果较好。

Claims (1)

1.一种煤矿地面垂直井压裂坚硬顶板控制采场强矿压效果预评价方法，其特征在于：包括以下步骤，
a.压裂裂缝扩展方向总是垂直于最小主应力方向，平行于最大主应力方向，根据压裂目标层三向应力分布状态，分析采用垂直井压裂时，压裂裂缝在压裂目标层中的分布形态；
b.自工作面上方地表垂直向下打钻孔至煤层处对覆岩各煤岩层进行取芯，实验室测试各煤岩层取芯试件的容重、抗拉强度、抗压强度、弹性模量、泊松比各项物理力学参数；
c.依据各煤岩层的物理力学参数，结合工作面开采煤层厚度、工作面长度、推进长度，采用3DEC数值模拟软件建立数值模拟模型①和数值模拟模型②，数值模拟模型①根据煤岩层物理力学参数及工作面开采特征进行建模，数值模拟模型②在数值模拟模型①的基础上，根据压裂裂缝分布形态，在压裂目标层中加入裂缝面的赋存；
d.两个数值模拟模型中煤层每步开挖的距离及开挖步数根据工作面实际单步开采距离确定，随煤层开挖，记录数值模拟模型①和数值模拟模型②中，压裂目标层临界破断前工作面超前煤体应力峰值σ0 ①、σ0 ②，以及压裂目标层破断回转时工作面超前煤体应力峰值σ①、σ②；
e.比较分析数值模拟模型①和数值模拟模型②中压裂目标层临界破断前、压裂目标层破断回转时工作面超前煤体应力峰值大小，若σ②=（0.1~0.3）σ①、σ0 ②=（0.1~0.6）σ0 ①，则认为地面压裂效果极好，若σ②=（0.1~0.3）σ①、σ0 ②=（0.7~1.0）σ0 ①，则认为地面压裂效果较好，若σ②=（0.6~0.8）σ①、σ0 ②<σ0 ①，则认为地面压裂效果一般，若σ②=（0.9~1.0）σ①、σ0 ②<σ0 ①，则认为地面压裂效果较弱。
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