水力压裂网中透射型动载衰减机制与控制技术

《Applied Sciences》：Mechanisms and Control Techniques for Attenuating Transmissive Dynamic Load in Hydraulic Fracture Mesh

　　

硬顶板断裂产生的动载显著扰动了研究地点下位巷道周边岩体稳定性。研究人员建立了水力压裂网（hydraulic fracture mesh）动载传递模型，从能量分布与应力波衰减角度分析了水力压裂网参数对动载衰减的影响。基于PFC2D标定建立了SHPB数值模型，结果表明：水力压裂网将岩体转化为非连续结构，阻碍动载传播并改变其传播介质，使部分动载反射并在网区积聚，导致网区岩石破碎或网侧岩石滑移，从而降低动载能量。最后在花园煤矿10107工作面开展工业试验，监测显示巷道两帮与顶板变形分别减少833 mm与861 mm，巷道围岩稳定性得到有效改善。

研究背景与立项依据

煤矿硬顶板（hard roof）在采空区断裂时会释放显著动载，对邻近巷道围岩造成大变形甚至冲击地压，孤岛工作面条件下更突出。现有顶板治理以炸药爆破、气体爆破和水力压裂（hydraulic fracture）为主，前两者存在成本高、污染或工艺不成熟问题，水力压裂虽具安全经济优势，但关于压裂后形成的复杂三维裂缝网络——即水力压裂网（hydraulic fracture mesh，由主裂缝与分支裂缝构成的网状结构）对动载衰减的机制及参数影响规律尚缺乏系统研究。为此，研究人员以山西晋中花园煤矿10107孤岛工作面为工程背景，结合K2灰岩硬顶板断裂峰值动载约55 MPa的实测条件，采用理论分析、相似材料实验、PFC2D离散元数值模拟与工业试验，揭示水力压裂网对透射动载的衰减规律并提出控制原则。

主要关键技术方法

研究人员首先依据花园煤矿K2灰岩力学参数与地应力，配制水泥砂浆相似材料并预制水力压裂试件，经CT扫描获取三维裂缝网几何特征；继而基于弹性波界面透射-反射理论（Zoeppritz方程）建立含压裂网介质的动态载荷传递模型，计算反射/透射P波与S波能量系数；随后在PFC2D v6.0中建立直径50 mm、撞击杆速度10 m/s的SHPB（Split Hopkinson Pressure Bar，分离式霍普金森压杆）数值模型，采用线性平行黏结模型（Linear Parallel Bond Model，PB）与平滑节理模型（Smooth-Joint Model，SJ）校准石灰岩接触参数，并以三波法、能量守恒校验模型有效性；单因素分析压裂网倾角（0°–60°）与厚度（0–10 mm），裂缝数量沿高度按正态分布赋值；最终在10107工作面施工定向双排钻孔（50°/100 m、60°/200 m）开展乳化液压裂工业试验，监测巷道变形验证。

研究结果

3 水力压裂网结构动载传递模型

3.1 模型建立与假设：以压裂网区等效为低密度（1809 kg/m3，较完整岩降低28.5%）、低强度（峰值强度为完整岩67.6%）介质，按Snell定律与Zoeppritz方程推导界面P/S波转换。

3.2 能量系数计算：随压裂网倾角增大，反射P波能量系数持续上升、透射P波能量下降，S波能量系数先升后降（峰值<0.2）；随网区密度增大（裂缝数减少），界面反射能下降、透射能上升。倾角对能量阻隔的贡献远大于密度（裂缝数）变化。

3.3 衰减因子计算：应力波幅值随传播距离按e^-αr衰减，压裂网厚度越大衰减越强，但倾角效应更显著。

4 数值模拟

4.1–4.3 建立SHPB模型并校准：石灰岩UCS 43.2 MPa、E 5.1 GPa、c 5.63 MPa、φ 32.6°；三波叠加与透射波吻合，系统总能量3.6 kJ守恒。

4.4 方案：单因素变倾角与厚度，裂缝竖向分布取正态。

5 结果分析

5.1 透射应力：倾角10°→60°时透射应力40.3→25.7 MPa；厚度0→10 mm时46.8→40.6 MPa。拟合σ_t=f(θ,d)，R2>90%。倾角影响大于厚度。

5.2 应力传递：60°倾角网将应力波导向上部偏移、下部应力集中且显著降低，起到应力路径重定向与遮拦作用。

5.3 裂缝扩展与岩体运动：网区诱发反向裂缝（反射证据），60°倾角下网两侧岩体反向滑移，产生明显相对错位。

5.4 能量耗散：倾角60°时耗散能1594 J，滑移能占39.09%；厚度10 mm时无倾角滑移能仅162 J。倾角与厚度均促滑移耗能，倾角主导。

5.5 衰减机制与控制：压裂网使连续岩体非连续化→波型转换与反射→网区碎裂与双侧滑移耗能。工程优先取大倾角（可控），厚度靠多排孔/重复压裂增补，网体应切穿硬顶–巷道动载路径。

6 工程应用

花园煤矿10107面实施定向压裂（孔斜50°/60°，深100/200 m，乳化液，泵压≥40 MPa，封孔≥20 MPa），10107巷两帮最终变形596 mm（较未压裂减833 mm），顶板568 mm（减861 mm），硬顶断裂无突变畸变。

讨论与结论翻译

讨论指出，相较既有研究，本文从应力传递、裂缝扩展与能量耗散三视角量化了压裂网倾角对动载衰减的主导性，倾角可通过定向钻探精准控制，厚度受地应力/压裂液/岩体结构多因素耦合更难调节；给出的设计原则（最大化倾角、多排孔增厚、网体拦截硬顶–巷道波径）需结合现场地应力与岩性具体化，不能跨矿区泛化。

结论：

(1) 基于固体弹性波传播理论与水力压裂网动载传递模型，确定压裂网倾角、厚度及网区岩石密度为影响动载衰减的主因。

(2) 动载衰减程度与压裂网倾角、厚度正相关，倾角影响更著；拟合得透射应力随参数变化经验式。

(3) 从应力传递、裂缝扩展与能量耗散揭示机制：压裂网改变动载传播路径，增加反射与网区岩体耗能；倾角存在时诱发表层滑移并生成耗散能，进一步削减动载。

(4) 花园煤矿10107面K2灰岩顶板压裂应用显示，压裂区巷道两帮与顶板变形较未压裂分别减少833 mm与861 mm，硬顶断裂对巷道围岩扰动有效抑制，围岩稳定性受控。

该研究发表于《Applied Sciences》，为类似硬顶条件下巷道围岩稳定控制的站点化水力压裂设计提供了理论基底。