CN115903078A - 水力压裂层位及其确定方法、水力压裂位置的确定方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种水力压裂层位及其确定方法、水力压裂位置的确定方法，涉及煤矿开采领域，用于解决确定水力压裂层位的精准度较低的技术问题。所述水力压裂层位的确定方法包括以下步骤：获取岩样的岩样信息，所述岩样信息包括岩样力学参数、地应力参数和岩层参数；根据所述岩样力学参数、地应力参数和岩层参数建立三维弹塑性数值模型，所述三维弹塑性数值模型包括层叠设置的多个岩层；对所述三维弹塑性数值模型进行迭代计算，得到所述三维弹塑性数值模型的不平衡力分布信息；根据所述不平衡力分布信息，确定水力压裂层位，所述水力压裂层位的下部区域内的不平衡力大于上部区域内的不平衡力。

Description

水力压裂层位及其确定方法、水力压裂位置的确定方法

技术领域

本申请涉及煤矿开采领域，尤其涉及一种水力压裂层位及其确定方法、水力压裂位置的确定方法。

背景技术

水力压裂技术已被广泛应用于煤矿开采中，其原理为利用高压液体压裂岩石，当注入井中的液体压力超过地层应力和岩石的抗张强度后，岩石发生碎裂而形成裂缝，预先释放开采工作面的应力。

煤层上方存在着由砂岩、砾岩或石灰岩等岩石形成的顶板，此类顶板厚度大、强度高并且具有节理裂隙不发育以及较强的整体性和自承能力，其中，“节理裂隙”是指岩体沿破裂面无显著位移的断裂构造。当煤层开采后，顶板会大面积悬空暴露在采空区，当顶板发生第一次垮落时，垮落面积较大，会造成工作面压力突增，形成顶板的初次来压，工作面发生初次来压后会进一步发生压力传导，经一定传导时间和距离后，顶板来压重复出现，形成强烈的周期性来压，将引发包括冲击地压和矿震等动力现象灾害，轻则造成设备损坏，重则出现危及人身安全的恶性事故。通过水力压裂技术可使部分岩层预先断裂，以避免顶板承压过多而导致安全事故，因此，确定合适的水力压裂层位对于控制来压并提升采矿作业安全性起到了至关重要的作用。需要说明的是，“采空区”指人为挖掘或者天然地质运动在地表下面产生的“空洞”。

然而，煤层顶板垮塌是一个高度复杂的结构稳定性问题，工程实践中，确定水力压裂层位的现有方法主要包括岩石碎胀系数法、大地电磁法及关键层法等，但上述方法对复杂地质条件及非线性作用敏感性低，确定水力压裂层位及水力压裂位置的精准度较低。

发明内容

鉴于上述问题，本申请实施例提供一种水力压裂层位及其确定方法、水力压裂位置的确定方法，用于提升确定水力压裂层位和水力压裂位置的精准度，减少矿压灾害，从而提高煤矿开采的作业安全性。

为了实现上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：

本申请实施例的第一方面提供一种水力压裂层位的确定方法，包括以下步骤：

获取岩样的岩样信息，岩样信息包括岩样力学参数、地应力参数和岩层参数；

根据岩样力学参数、地应力参数和岩层参数建立三维弹塑性数值模型，三维弹塑性数值模型包括层叠设置的多个岩层；

对三维弹塑性数值模型进行迭代计算，得到三维弹塑性数值模型的不平衡力分布信息；

根据不平衡力分布信息，确定水力压裂层位，水力压裂层位的下部区域内的不平衡力大于上部区域内的不平衡力。

本申请实施例的有益效果是：在本申请实施例提供的水力压裂层位的确定方法中，基于变形加固理论与不平衡力的计算，通过建立岩样的三维弹塑性数值模型，可较好适用于复杂地质条件及结构非线性作用的分析，准确判断岩样的扰动情况；在岩样开采过程的模拟中，与一般数值模拟方法(如离散元、传统有限元、有限差分法等)相比，本申请实施例所提供方法收敛性强、计算速度快、可准确示出开采过程中的岩层破坏位置及岩层移动过程；通过计算岩样开采过程中的不平衡力分布信息，能够精准确定水力压裂层位，从而更准确和稳定地控制来压，并进一步确定水力压裂位置，提高煤矿开采作业的安全性。

在一种可能的实现方式中，对三维弹塑性数值模型进行迭代计算的步骤包括：

计算三维弹塑性数值模型的应力场σ，计算公式为：

∑_ε∫_VεB^TσdV＝F  式(1)

其中，F为外荷载等效节点力向量，B为三维弹塑性数值模型的应变矩阵，V为三维弹塑性数值模型的体积；

根据应力场σ计算f(σ)，计算公式为：

其中，

I₁＝σ₁+σ₂+σ₃，

σ₁、σ₂、σ₃为σ对应的主应力，

为材料摩擦角，c为材料粘聚力，f(σ)用于判断应力是否超出屈服面；

计算不平衡力场Δσ^p，计算公式为：

Δσ^p＝nσ_ij+pδ_ij    式(3)

其中，

m＝α(3λ+2μ)，

I₁、J₂和f由式(2)计算获得，E为岩样材料杨氏模量，v为岩样材料泊松比；

计算不平衡力Q，计算公式为：

Q＝∑_ε∫_Vε B^TΔσ^pdV  式(4)

不平衡力Q为不平衡力场Δσ^p的等效节点力。

在一种可能的实现方式中，三维弹塑性数值模型还包括在每相邻两个岩层之间设置的薄层单元；

通过薄层单元模拟岩层间离层，不平衡力Q分布于各薄层单元。

在一种可能的实现方式中，对三维弹塑性数值模型进行迭代计算的步骤包括：

比较不平衡力Q与第一阈值T₁，其中，第一阈值T₁设置为大于或等于0的实数；

当薄层单元中的不平衡力Q大于第一阈值T₁时，移除薄层单元。

在一种可能的实现方式中，岩样力学参数包括弹性模量E、密度r、泊松比v、内摩擦角

粘聚力c和单轴抗拉强度R。

在一种可能的实现方式中，地应力参数包括岩样的至少一个地应力张量；

优选地，地应力参数包括岩样的多个地应力张量。

在一种可能的实现方式中，岩层参数包括岩层层位图、岩层厚度和岩层岩性。

在一种可能的实现方式中，根据不平衡力分布信息，确定水力压裂层位的步骤包括：

在三维弹塑性数值模型中设置n个开采步长，将第j层岩层在第i个开采步长的不平衡力的标量和记为Q_ij，将第j层岩层在第i个开采步长后的第k个开采步长时的不平衡力的增量记为ΔQ_ijk，其中，

ΔQ_ijk＝Q_(i+k)j-Q_ij    式(5)

式中，n，i，j，k均为大于0的整数；

获取同时满足公式(6)、公式(7)和公式(8)的所有i，j，k值，记为数组A_m，其中，A_m＝(i_m，j_m，k_m)；

Q_ij＞0                                               式(6)

0＜ΔQ_i(j-1)k＜T₂                                      式(7)

ΔQ_i(j+1)k＞T₂                                         式(8)

其中，T₂为第二阈值，取大于或等于0的实数；

在数组A_m中，k取最大值时所对应的j值为水力压裂层位，不平衡力Q贯通第j层时的位置为水力压裂位置。

本申请实施例第二方面所提供的一种水力压裂层位，由上述任一确定方法得到。

本申请实施例的第三方面提供一种水力压裂位置的确定方法，包括上述任一确定方法，水力压裂位置为不平衡力Q贯通第j层时的位置。

本申请实施例的第二、三方面提供的水力压裂层位和水力压裂位置的有益效果：预先指导采矿作业中顶板部分岩层的定位，并精准确定水力压裂位置，使部分岩层预先断裂以避免顶板承压过多而导致的如矿震类的动力现象，极大程度避免了矿压灾害；此外，本申请实施例的第二、三方面还包括上述水力压裂层位的确定方法的有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的开采距离为90米时的三维弹塑性数值模型剖面不平衡力分布云图；

图2为本发明实施例提供的开采距离为100米时的三维弹塑性数值模型剖面不平衡力分布云图；

图3为本发明实施例提供的开采距离为110米时的三维弹塑性数值模型剖面不平衡力分布云图；

图4为本发明实施例提供的开采距离为90米时的不平衡力发展过程示意图；

图5为本发明实施例提供的开采距离为100米时的不平衡力发展过程示意图；

图6为本发明实施例提供的开采距离为110米时的不平衡力发展过程示意图；

图7为本发明实施例提供的水力压裂层位的确定方法流程图；

图8为本发明实施例提供的开采过程不平衡力单步长计算流程图；

图9为本发明实施例提供的根据不平衡力增量来确定水力压裂层位及位置的流程图。

附图标记说明：

1-不平衡力影响区域；2-开采位置及方向；3-特定层位；4-特定位置。

具体实施方式

正如背景技术，在相关技术中，水力压裂技术对于煤矿开采是必不可少的，其中，确定岩体顶板的水力压裂层位以控制来压对减少矿压灾害起到至关重要的防范作用，但相关技术存在着技术成本较高、确定水力压裂层位及水力压裂位置精准度较低的问题。经发明人研究发现，出现这种问题的原因在于，在工程实践中，主要通过如岩石碎胀系数法、大地电磁法及关键层法等方法来确定水力压裂层位，上述方法对复杂地质条件及非线性作用的敏感性低，确定水力压裂层位及水力压裂位置的准确度较低，然而，不同的水力压裂层位对于包括初次来压和/或周期来压的来压控制效果不同，提高确定水力压裂层位及水力压裂位置的精准度将减少初次来压和周期来压的峰值，进而提升工作人员的作业安全性。

针对上述确定水力压裂层位的精准度较低的问题，本申请实施例提供了一种水力压裂层位的确定方法，并将变形加固理论应用其中，变形加固理论作为经典弹塑性力学的延伸与拓展，其是以非平衡态弹塑性力学为基础，最小塑性余能密度原理为理论核心，适用于处理超出屈服面的非稳定弹塑性区来研究荷载超出结构极限承载力的情形。变形加固理论中，将外荷载的等效节点力和结构内力的等效节点力之间存在的差值称为不平衡力，在给定外荷载和结构整体稳定安全度后，可求得不平衡力大小和分布，从而可根据不平衡力来推断破坏区域的大小、程度以及稳定程度。本申请实施例通过利用变形加固理论，可在有限元弹塑性分析的基础上，根据不平衡力的分布来模拟岩体结构可能存在的连续性破坏。

此外，针对岩石类材料呈现的有别于经典塑性理论预测的变形破坏特征，如非关联塑性流动、剪胀等，变形加固理论研究了三维非线性有限元计算过程中解不存在的情况，其表明解不存在意味着迭代计算不收敛，结构中存在无法转移的不平衡力，不平衡力的物理意义就是结构破坏的驱动力，不平衡力的反向力也就是结构为避免破坏所需的加固力，故确定不平衡力分布对实施岩土工程的稳定控制至关重要。传统三维有限元方法对连续性的要求使之难以处理顶板垮塌这类非连续的破坏过程，通常会遇到计算不收敛的问题，而变形加固理论方法具有一阶无条件收敛的特性，通过计算模拟得到的不平衡力又指示了可能存在的破坏位置和程度，结合变形加固理论与非线性有限元分析来确定水力压裂层，显著提升了水力压裂层的确定精准度，不仅如此，本申请实施例为地下洞室及煤矿开采顶板岩层移动及顶板控制机制的研究奠定了理论与方法基础，具备较高的应用价值。

为了更好地理解本申请实施例，下面对变形加固理论做出进一步说明：

变形加固理论是研究荷载超出结构极限承载力的理论，其出发点是给定外荷载和结构整体稳定安全度，从而求得不平衡力大小和分布，据此推断破坏区域的大小、程度以及整体稳定性，如前，不平衡力的反向力也就是结构为避免破坏所需的加固力，故变形加固理论的工程应用目的是确定结构在承受荷载超出其极限承载力时维持稳定所需的加固力，以期实现对岩土工程的稳定控制。给定荷载下结构出现不平衡力的区域即为初始破坏区域；在给定荷载下结构总是趋于加固力最小化、自承力最大化的状态，而整体稳定性可采用余能范数进行定量评价。根据三维非线性有限元方法，推导出不平衡力和塑性余能范数的表达式。从而通过结合三维非线性有限元法和变形加固理论实现对岩体变形稳定分析和安全性评价。

在非线性有限元分析中，计算不收敛意味着解不存在。对一个连续体结构，如果包括应力场和位移场下的解存在，则该解需要同时满足平衡条件、变形协调条件和本构关系。本申请实施例的非线性有限元分析是基于位移法的弹塑性有限元分析，在基于位移法的弹塑性有限元分析中，变形协调条件自然满足，不收敛表现为满足平衡条件的应力场无法全部满足屈服条件。对满足平衡条件的高斯点应力σ₁，其平衡条件在有限元法内表示为：

∑_e∫_VeB^Tσ₁dV＝F  (公式1)

公式1中，对所有单元e求和，F为外荷载等效节点力向量，B为应变矩阵。需要说明的是，应力场中的高斯点应力σ₁无法全部满足屈服条件即为在某些区域或高斯点应力处σ₁有f(σ₁)＞0的情况，其中，高斯点应力处σ₁满足的映射关系为：

式中，

I₁＝σ₁+σ₂+σ₃，

σ₁、σ₂、σ₃为σ对应的主应力，

为材料摩擦角，c为材料粘聚力。

具体到某一高斯点应力σ₁，若f(σ₁)＞0，则需将应力σ₁调整至屈服面σ，应力调整前后的差值为塑性应力Δσ^p＝σ₁-σ＝D：Δε^P，其中Δε^P为塑性应变增量。在弹塑性有限元分析中，Δσ^p的等效节点力即为不平衡力，

Q＝∑_e∫_Ve B^TΔσ^pdV  (公式3)

将σ₁＝σ+Δσ^p及式(公式3)代入平衡条件式1得：

∑_e∫_VeB^TσdV+Q＝F  (公式4)

调整后的应力场σ全面满足屈服条件，故其等效节点力可视为结构的自承力。公式4可理解为在节点力水平上，结构内力为结构自承力和不平衡力之和，即：结构自承力+不平衡力＝外荷载，公式4说明结构在外荷载F的作用下，若结构无法自稳(即结构无法全面满足屈服条件)，可以对结构施加一个与不平衡力Q大小相等方向相反的加固力，此时的结构自承力全面满足屈服条件，结构稳定，也可以表述为(满足屈服条件的)结构自承力＝外荷载-不平衡力。由公式3可知，不平衡力向量Q是由初应变Δε^p产生的荷载向量，故加固力是自平衡力系。对给定外荷载，结构自承力和加固力有无穷多组合，为了确定真实的结构自承力和加固力，基于理想弹塑性材料的结构，存在最小塑性余能原理：真实塑性应力场Δσ^p必使结构塑性余能ΔE(即余能范数)最小化，即：

其中，C为柔度张量。塑性余能ΔE为不平衡力的范数，因此，最小塑性余能原理要求结构不平衡力最小化。

进一步地，对变形加固理论与结构非连续破坏的关系做出说明：

对给定荷载，结构的力学解(包括位移场、应力场等)必须满足平衡条件、变形协调条件和本构关系，示例性地，本构关系包括应力应变关系。对于弹性材料结构，结构的力学解总是存在且唯一；而对于弹塑性材料结构，其结构的力学解则可能不存在或为无穷多个，因为不同材料的许可应力不同，当外力达到材料的许可应力时，材料才能满足屈服条件，所以结构力学解不存在的原因是屈服条件无法得到满足。当弹塑性材料结构的力学解存在时，则结构应力场处处满足屈服条件，此时，结构稳定，同时该解全面满足平衡条件、变形协调条件和本构关系；当结构的力学解不存在，则结构应力场无法全面满足屈服条件，结构不稳定。

需要说明的是，不平衡力是弹塑性有限元计算中的一个中间变量，本质是一种虚拟力，并不会在实际工程中出现。如果有限元计算中结构出现不平衡力，则实际工程中会通过结构损伤、开裂等方式使不平衡力得到释放，因此，计算结构的不平衡力对于模拟与控制工程结构的稳定性至关重要。

在位移形式的有限元分析中，强制满足结构连续性条件和变形协调条件，而无法反映结构局部开裂带来的不连续性和非协调性，致使有限元计算结果不收敛且存在不平衡力，对应于实际工程中，如不对结构施加加固力来平衡不平衡力，结构只能通过在不平衡力处产生损伤开裂(改变本构关系)来消除不平衡力，以此来弱化强制满足的变形协调条件，所以不平衡力实质是一种材料损伤开裂程度的等效表述。

以不平衡力表征结构损伤的方法可类比于损伤力学中以有效应力对于损伤的表征，在有限元计算中，通过不平衡力表征结构损伤的方法所需获取的求解参数数量较少，一般只需刚度和强度参数，无需额外增加损伤演化相关参数；不仅如此，该方法具有一阶无条件收敛的特性，能够良好适配于复杂岩体的工程计算。

本申请实施例所提供的水力压裂层位的确定方法，包括以下步骤：

获取岩样的岩样信息，岩样信息包括岩样力学参数、地应力参数和岩层参数；根据岩样力学参数、地应力参数和岩层参数建立三维弹塑性数值模型，三维弹塑性数值模型包括层叠设置的多个岩层；对三维弹塑性数值模型进行迭代计算，得到三维弹塑性数值模型的不平衡力分布信息；根据不平衡力分布信息，确定水力压裂层位，水力压裂层位的下部区域内的不平衡力大于上部区域内的不平衡力，这样，提高了对复杂地质条件及复杂地质中的非线性作用的分析敏感性，同时提升了水力压裂层位和水力压裂位置的确定精准度，对于煤矿开采中来压的良好控制具有指导作用，进而加强了工作人员的作业安全性。

在一些可能的实施方式中，水力压裂层位的确定方法包括以下步骤：

采取岩体岩样，进行岩石力学试验。其中，对于有条件的工作面，可以直接使用地质勘探钻孔所获取的岩芯作为岩样，需要说明的是“有条件的工作面”是指能够直接从现有的地质勘探钻孔柱状图中对应获取岩石信息的岩体面；对于一般工作面，则可以根据岩性参数，例如，岩石的颜色、成分、结构、胶结物组构特征、胶结类型以及是否为特殊矿物等，之后在工作面周边的巷道开采取得岩样来进行岩石力学试验。岩石力学试验包括单轴压缩试验、三轴压缩试验和巴西劈裂试验，岩石力学试验获取的参数包括岩石的弹性模量E、密度r、泊松比ν、内摩擦角

粘聚力c和单轴抗拉强度R，如此，为后续三维弹塑性数值模型的建立与计算提供了必要的参数条件。

需要说明的是，“工作面”是指在煤矿采集工作直接活动的范围内，所形成的工作区域；“地质勘探钻孔柱状图”是描述钻孔穿过岩层的层性、厚度、岩性、结构构造和接触关系、地下水取样和试验、钻孔结构和钻进等情况而编制的工程地质图。

进行地应力试验：对岩样的待测工作面进行地应力试验，采用的方法可以为应力接触法或水压致裂法或应力恢复法，从而获取待测工作面的至少一个初始地应力张量，从而通过初始地应力张量以实现地应力反演；

优选地，从岩样的待测工作面获取多个地应力张量，这样，丰富了地应力信息，提高数值模型的精度，使得地应力反演更准确。

需要说明的是，“地应力”是指对工作面进行开采所引起的存在于地壳中的应力。“地应力反演”是指根据工程区域所处的实际地理位置构建三维地质概化模型，通过有限的实测地应力数据，结合地应力影响因素，借助数据分析软件，从而构造工程区域的初始地应力场。

根据地质勘探钻孔柱状图所获取的岩体信息、地应力试验所获取的地应力信息及岩石力学试验的结果参数建立三维弹塑性数值模型。其中，地质勘探钻孔柱状图所获取的岩体信息包括岩层层位图、岩层厚度和岩层岩性，结合岩石力学试验获取的岩石力学参数，通过有限元软件TFINE程序(软件登记号：2009SRBJ5181、2016SR036509)建立岩体工作面的三维有限元模型，再根据地应力试验结果来分段调整侧压力系数获取初始地应力场，进而建立包括初始地应力场的三维有限元弹塑性数值模型。

在一些实施例中，三维有限元弹塑性数值模型的岩层间交界处均设置有薄层单元，如此，便于岩层间离层情况的模拟与计算。

本领域技术人员可以理解的是，“侧压力系数”指基于工作面的水平压应力与垂直压应力之比。

基于变形加固理论，通过三维有限元弹塑性数值模型对岩体的开采过程进行计算，获得岩体的应力应变状态，开采过程中模型稳定后，获取不平衡力场Δσ^p及其等效节点力即不平衡力Q的分布情况，单步长的计算过程如下：

①计算三维弹塑性数值模型的应力场σ，计算公式为：

∑_ε∫_VεB^TσdV＝F    式(1)

其中，F为外荷载等效节点力向量，B为三维弹塑性数值模型的应变矩阵，V为三维弹塑性数值模型的体积；

②根据应力场σ计算f(σ)，计算公式为：

其中，

I₁＝σ₁+σ2+σ₃，

σ₁、σ₁、σ₃为σ对应的主应力，

为材料摩擦角，c为材料粘聚力，f(σ)用于判断应力是否超出屈服面；

需要说明的是，式(2)可以是任何屈服准则形式。

③对于f(σ)＞0的高斯点应力，计算不平衡力场Δσ^p，计算公式为：

Δσ^p＝nσ_ij+pδ_ij    式(3)

其中，

m＝α(3λ+2μ)，

I₁、J₂和f由式(2)计算获得，E为岩样材料杨氏模量，v为岩样材料泊松比；

④计算不平衡力Q，计算公式为：

Q＝∑_ε∫_VεB^TΔσ^pdV  式(4)

不平衡力Q为不平衡力场Δσ^p的等效节点力；

⑤以不平衡力Q为判据，并结合层间离层情况进行迭代计算。若存在不平衡力Q大于阈值T₁的层间薄层单元，则将层间薄层单元从模型中移除，移除层间薄层单元后的模型作为新模型并重复步骤①-④的计算，迭代计算至不存在不平衡力Q大于阈值T₁的层间薄层单元，结束单步长计算。其中，阈值T₁取大于或等于0的实数。

⑥增加开采步长，重复进行①-⑤步的计算。

(5)根据三维有限元弹塑性数值模型不平衡力场分布情况，确定水力压裂层位。在开采过程中，本申请实施例确定的水力压裂层位为下部不平衡力聚集而上部保持连续的岩层，本申请实施例确定的水力压裂位置为不平衡力贯通岩层层位的位置。其中，水力压裂设计层和水力压裂位置的确定过程如下：

假设模型计算一共有n个等步长的开采过程，用字母i表示第i步的开采，字母j表示第j层岩层。

①将第j层岩层在第i个开采步长的不平衡力的标量和记为Q_ij，将第j层岩层在第i个开采步长后的第k个开采步长时的不平衡力的增量记为ΔQ_ijk，其中，

ΔQ_ijk＝Q_(i+k)j-Q_ij    式(5)

需要说明的是，n，i，i，k均为大于0的整数；

②设置判断阈值T₂，T₂为大于或等于0的实数。获取所有的i，j，k值，使得以下三式同时满足：

Q_ij＞0                                              式(6)

0＜ΔQ_i(j-1)k＜T₂                                     式(7)

ΔQ_i(j+1)k＞T₂  式(8)需要说明的是，满足上述条件的i，j，k值记为数组A_m＝(i_m，j_m，k_m)。

③在数组A_m中，获取k的最大取值k_max，最大取值k_max对应的所有j值均为本申请实施例确定的水力压裂设计层位，不平衡力分布区首次贯通第j层时的位置即为本申请实施例确定的水力压裂位置。

这样，利用三维有限元弹塑性数值模型计算结果的预测和指导作用，再实际工程中，结合不平衡力云图及现场勘探情况，从而能够最终确定精确的水力压裂层位及压裂位置，实现对顶板来压的稳定控制，提升了采矿作业的安全性。

为了更好地理解本申请实施例，下面结合图1至图9对水力压裂层位及水力压裂位置的确定进行说明，其中，不平衡力分布区域可表示为开采岩体的破坏范围。

结合图1和图4，随着开采范围的增加，不平衡力影响区域1不断沿岩层开采方向及其上方延伸扩展，受到破坏的岩层范围不断扩大，进一步地，如图2和图5所示，随着开采范围的继续增加，开采岩层的上方会出现特定层位3，此时，特定层位3会阻碍不平衡力的扩展，不平衡力影响区域1不再随着开采过程而向上延伸扩展，即不平衡力影响区域1仅沿开采方向延伸扩展，且在特定层位3中，上部区域内的不平衡力小于下部区域，即特定层位3上部区域内的不平衡力较小而特定层位3下部区域内的不平衡力较大，出现集中的不平衡力场，岩层下部呈现结构不连续性，出现离层情况，具体表现为特定层位3下部出现较长跨度的离层区域。以图5所示为例，特定层位3的下部离层，而上部保持连续，则特定层位3在此时承受了特定层位3上部地层的应力，此时特定层位3为应力集中区域，需要说明的是，在实际开采中，顶板下部岩层悬空范围较长，应力集中显著而力学性能较薄弱，此时岩层一旦断裂，将会释放出较常规岩层更多能量，因此，需预先对其进行水力压裂，使较薄弱的岩层预先断裂以避免顶板承压过多而导致的如矿震类的动力现象而引发安全事故，因此，特定层位3为本申请实施例所确定的水力压裂层位；进一步地，不平衡力贯通特定层位3的特定位置4为本申请实施例所确定的水力压裂位置。

结合图3和图6，当开采距离增大到110米时，不平衡力区域1突破特定层位3而继续向岩层上方延伸扩展，即特定层位3无法继续阻止不平衡力向岩层上方的延伸扩展，直到随着开采距离增加而出现下一个特定层位，不平衡力区域向岩层上方的延伸扩展才会被再次抑制。

在一些实施例中，增加开采步长，确定多个水力压裂层位和水力压裂位置，这样，在满足采矿时控制顶板来压的需要下，提升作业连续性与效率。

需要说明的是，公式(6)、公式(7)和公式(8)为上述水力压裂层位及水力压裂位置的确定的定量化判据，当满足判据公式(6)、公式(7)和公式(8)且取k为最大值时，表明在最大连续步长中，特定层位3阻碍不平衡力向岩层上方的延伸，此时的特定层位3即为本申请实施例所确定的水力压裂层位，不平衡力贯通特定层位3的特定位置4为本申请实施例所确定的水力压裂位置。

本说明书中各实施例或实施方式采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

应当指出，在说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等表示的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语未必是指同一实施例。此外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其他实施例实现这样的特征、结构或特性处于本领域技术人员的知识范围之内。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种水力压裂层位的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取岩样的岩样信息，所述岩样信息包括岩样力学参数、地应力参数和岩层参数；

根据所述岩样力学参数、地应力参数和岩层参数建立三维弹塑性数值模型，所述三维弹塑性数值模型包括层叠设置的多个岩层；

对所述三维弹塑性数值模型进行迭代计算，得到所述三维弹塑性数值模型的不平衡力分布信息；

根据所述不平衡力分布信息，确定水力压裂层位，所述水力压裂层位的下部区域内的不平衡力大于上部区域内的不平衡力。

2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，对所述三维弹塑性数值模型进行迭代计算的步骤包括：

计算所述三维弹塑性数值模型的应力场σ，计算公式为：

∑_ε∫_VεB^TσdV＝F                 式(1)

其中，F为外荷载等效节点力向量，B为三维弹塑性数值模型的应变矩阵，V为三维弹塑性数值模型的体积；

根据所述应力场σ计算f(σ)，计算公式为：

其中，

I₁＝σ₁+σ₂+σ₃，

σ₁、σ₂、σ₃为σ对应的主应力，

为材料摩擦角，c为材料粘聚力，所述f(σ)用于判断应力是否超出屈服面；

计算不平衡力场Δσ^p，计算公式为：

Δσ^p＝nσ_ij+pδ_ij                     式(3)

其中，

m＝α(3λ+2μ)，

I₁、J₂和f由所述式(2)计算获得，E为岩样材料杨氏模量，v为岩样材料泊松比；

计算不平衡力Q，计算公式为：

Q＝∑_ε∫_VεB^TΔσ^pdV                    式(4)

所述不平衡力Q为所述不平衡力场Δσ^p的等效节点力。

3.根据权利要求2所述的确定方法，其特征在于，所述三维弹塑性数值模型还包括在每相邻两个所述岩层之间设置的薄层单元；

通过所述薄层单元模拟岩层间离层，所述不平衡力Q分布于各所述薄层单元。

4.根据权利要求3所述的确定方法，其特征在于，对所述三维弹塑性数值模型进行迭代计算的步骤包括：

比较所述不平衡力Q与第一阈值T₁，其中，所述第一阈值T₁设置为大于或等于0的实数；

当所述薄层单元中的所述不平衡力Q大于所述第一阈值T₁时，移除所述薄层单元。

5.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述岩样力学参数包括弹性模量E、密度r、泊松比v、内摩擦角

粘聚力c和单轴抗拉强度R。

6.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述地应力参数包括所述岩样的至少一个地应力张量；

优选地，所述地应力参数包括所述岩样的多个地应力张量。

7.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述岩层参数包括岩层层位图、岩层厚度和岩层岩性。

8.根据权利要求1-7任一所述的确定方法，其特征在于，根据所述不平衡力分布信息，确定水力压裂层位的步骤包括：

在所述三维弹塑性数值模型中设置n个开采步长，将第j层岩层在第i个开采步长的不平衡力的标量和记为Q_ij，将第j层岩层在第i个开采步长后的第k个开采步长时的不平衡力的增量记为ΔQ_ijk，其中，

ΔQ_ijk＝Q_(i+k)j-Q_ij                       式(5)

式中，n，i，j，k均为大于0的整数；

获取同时满足公式(6)、公式(7)和公式(8)的所有i，j，k值，记为数组A_m，其中，A_m＝(i_m，j_m，k_m)；

Q_ij＞0                            式(6)

0＜ΔQ_i(j-1)k＜T₂              式(7)

ΔQ_i(j+1)k＞T₂                  式(8)

其中，T₂为第二阈值，取大于或等于0的实数；

在所述数组A_m中，k取最大值时所对应的j值为所述水力压裂层位，所述不平衡力Q贯通第j层时的位置为水力压裂位置。

9.一种水力压裂层位，其特征在于，由权利要求1-8任一所述的确定方法得到。

10.一种水力压裂位置的确定方法，其特征在于，包括权利要求1-8任一所述的确定方法，所述水力压裂位置为所述不平衡力Q贯通第j层时的位置。

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