张志军

（潞安集团潞宁煤业有限责任公司，山西 宁武036700）

1 工程概况

山西潞安集团潞宁煤业有限公司3号煤层位于大同组上段三亚段，煤层厚度为1.58～2.46 m，平均厚度为2.16 m，平均倾角为12°，结构简单，属稳定可采煤层；煤层直接顶为砂岩泥岩，基本顶为细粒砂岩。31101工作面位于井田东北方，工作面倾斜长度为159.3 m，走向可采长度为1 035 m，采用综合机械化开采，煤层顶底板岩层特征如图1所示，基本顶岩层为细粒砂岩，平均厚度为6.5 m，岩层坚硬、致密完整，为防止工作面回采作业时，基本顶悬顶距离过长造成矿压显现，需在回采前对顶板岩层进行预裂，有效控制顶板垮落，特进行水力压裂技术研究分析。

图1 工作面顶底板岩层柱状图

2 水力压裂裂缝的起裂机理

2.1 初次裂缝诱导应力场分布

在采用压裂钻孔进行压裂作业时，其钻孔内形成的裂缝主要为横向裂缝，垂直于钻孔方向，故在进行裂缝形成的诱导应力场研究时，建立各项同性和均质的平面应变模型，该模型的基本假设为裂缝的纵向剖面呈现为椭圆形、其形态主要为垂直方向的裂缝，现采用H/2对裂缝一半的高度进行表示，将x轴放置在长钻孔的方向，y轴放置在裂缝的高度方向，建立图2的水力裂缝诱导应力场几何模型。定义拉应力为正，压应力为负。

图2 水力裂缝诱导应力场几何模型

初次裂缝在长钻孔周围某质点（x，y，z）处产生的诱导正应力和剪切应力大小为：

式中部分符号的具体计算公式如下：

2.2 长钻孔周围地应力分布研究

长钻孔周围地应力分布研究，原始地层应力系统主要由3个相互垂直的应力构成，分别是：垂向上上覆地层产生的应力σv、水平方向上的最大水平主应力σH和最小水平主应力σh。……