Research and Application of Directional Fracturing Roof Cutting for Lateral Thick and Hard Roofs in Shallow-Buried Large-Section Roadways

Résumé technique : Recherche et application de la fracturation directionnelle pour la découpe de toits dans les galeries à section large et faible profondeur d'enfouissement

Énoncé du problème
Dans les galeries de mines de charbon à section large et faible profondeur d'enfouissement, la présence de strates de toit latérales épaisses et dures pose de graves risques liés au comportement des strates. Lors de l'exploitation par recul, ces toits ne se fracturent souvent pas efficacement, ce qui entraîne la formation de toits suspendus de grande surface et l'accumulation d'une énergie élastique considérable. Lorsque ces toits finissent par se fracturer et s'effondrer, la libération rapide d'énergie déclenche des coups de terrain (rock bursts), des déformations sévères de la galerie et un soulèvement du plancher. La fracturation hydraulique conventionnelle est souvent inefficace dans ces scénarios car la direction de propagation des fractures est dominée par le champ de contraintes in situ, ce qui produit généralement des fractures horizontales qui ne parviennent pas à découper verticalement le toit épais. De plus, les pressions d'initiation élevées et l'incapacité à contrôler la direction de la fracture limitent l'applicabilité des techniques classiques de décompression.

Méthodologie
L'étude emploie une approche complète combinant l'analyse théorique, la simulation numérique, l'expérimentation en laboratoire et les tests sur le terrain industriel pour développer une technologie de découpe de toit par fracturation directionnelle.

1. Analyse théorique : Un modèle mécanique bidimensionnel de fracturation guidée par perforation a été établi sur la base de la théorie de l'élasticité. Ce modèle a analysé la distribution des contraintes autour des forages et des perforations sous l'effet des contraintes in situ et de la pression de l'eau. Il a dérivé des formules démontrant comment les perforations agissent comme des plans de faiblesse pour guider l'initiation et la propagation des fractures, en calculant spécifiquement les différences de contrainte circonférentielle entre la paroi du forage et les points de contact des perforations.
2. Vérification en laboratoire : Des expériences de fracturation hydraulique en triaxialité réelle ont été menées en utilisant des échantillons de grès provenant de la mine de charbon de Caojiatan. Ces expériences ont comparé la fracturation conventionnelle à la fracturation guidée par perforation pour valider les modèles théoriques concernant la pression d'initiation et l'orientation de la fracture.
3. Simulation numérique : En utilisant la méthode du réseau discret (discrete lattice method) dans le logiciel XSite, un modèle numérique 3D a été construit pour simuler la fracturation guidée par perforation en série. L'étude a examiné systématiquement l'influence de trois paramètres clés : le débit d'injection, le diamètre de la perforation et l'espacement des perforations. Le modèle a suivi les modes de propagation des fractures, la hauteur de fracture et la continuité du réseau de fractures sous diverses conditions.
4. Application industrielle : Un test industriel a été réalisé à la face de travail 122105 de la mine de charbon de Caojiatan. La technologie a consisté à utiliser des outils de jet d'eau abrasif pour créer des perforations en série dans des forages horizontaux, suivies d'une fracturation hydraulique directionnelle. L'efficacité a été surveillée par monitoring microséismique, scanner de section de galerie et mesures de contrainte des boulons/câbles.

Contributions clés

• Modèle mécanique : L'article établit un modèle mécanique clarifiant que les perforations agissent comme des directions de faiblesse relatives. Il démontre mathématiquement que les points de contact perforation-forage présentent des contraintes circonférentielles plus élevées que la zone de faiblesse horizontale, contrôlant ainsi la direction d'initiation de la fracture et réduisant la pression d'initiation.
• Stratégie de perforation en série : L'étude propose une méthode spécifique de « perforation en série » où plusieurs perforations sont disposées le long du forage. Cette configuration crée des interactions de contraintes adjacentes qui affaiblissent la dominance du champ de contraintes in situ, favorisant la formation de fractures verticales continues en forme de feuilles plutôt que de fractures horizontales.
• Optimisation des paramètres : À travers la simulation, la recherche identifie et optimise les paramètres critiques pour une découpe de toit efficace dans des conditions de faible profondeur : un débit d'injection de 1,2 m³/min, un diamètre de perforation de 8 cm et un espacement de perforation de 20 cm.
• Validation sur le terrain : L'article fournit un schéma d'application industrielle validé, démontrant la faisabilité de la mise en œuvre de cette technologie dans les galeries actives des mines de charbon pour atténuer la pression des strates.

Résultats

• Résultats théoriques et expérimentaux : L'analyse théorique a confirmé que les perforations réduisent la pression d'initiation de la fracture. Les expériences en triaxialité réelle ont montré que la fracturation guidée par perforation réduisait la pression d'eau de pointe de 22,5 % (à environ 14,8 MPa) par rapport à la fracturation conventionnelle et guidait avec succès les fractures pour qu'elles se propagent verticalement selon la direction de la perforation, contrairement à la propagation horizontale observée avec les méthodes conventionnelles.
• Résultats de la simulation :
  • Débit d'injection : L'augmentation du débit d'injection de 0,12 m³/min à 1,2 m³/min a augmenté la hauteur de fracture de 310,83 %, renforçant considérablement la capacité de guidage des perforations.
  • Diamètre de perforation : L'augmentation du diamètre de 2 cm à 8 cm a augmenté la hauteur de fracture de 31,44 % et réduit la pression d'initiation de 45 %.
  • Espacement des perforations : Un espacement de 20 cm a été jugé optimal. Augmenter l'espacement à 30 cm a affaibli l'interaction de pression de fluide entre les perforations adjacentes, créant des zones sans fracture et inhibant la formation de fractures connectées.
• Résultats des tests sur le terrain : Dans la face de travail 122105, l'application de la fracturation guidée par perforation en série a entraîné un changement dans l'activité microséismique. La section fracturée a présenté une tendance « haute fréquence et basse énergie », les événements à haute énergie (≥10³ J) ayant diminué de 23,96 % par rapport à la section non fracturée. Cela indique que la technologie a efficacement induit des fractures de toit fréquentes et de plus petite taille, libérant l'énergie élastique accumulée et réduisant l'intensité du comportement des strates. La déformation de la galerie et la contrainte de support ont été efficacement atténuées.

Signification
L'article affirme que la technologie de fracturation guidée par perforation en série proposée offre une solution viable pour prévenir les risques graves liés au comportement des strates associés aux toits latéraux épais et durs dans les galeries à section large et faible profondeur d'enfouissement. En clarifiant le mécanisme de propagation de la fracture guidée par perforation et en optimisant les paramètres clés, l'étude fournit une référence pour la conception et la mise en œuvre de mesures de découpe de toit directionnelle. La réussite de l'application industrielle confirme que cette méthode peut efficacement détruire l'intégrité des toits épais et durs, bloquer le transfert d'énergie des fractures de toit et minimiser la déformation des galeries, améliorant ainsi la sécurité dans les environaux miniers profonds.