定向長鉆孔分段水力壓裂技術在沖擊地壓防治中的應用

王澤陽，鄭凱歌，王豪杰，劉昌益

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054)

煤炭作為我國的戰略性支柱能源，在短時期內的地位不可動搖，在百年未有之大變局的時代背景下，能源安全已經成為國家安全戰略的重要組成部分。煤炭資源的安全高效回采是保障能源安全的前提，隨著我國淺部煤炭資源逐漸枯竭，煤炭開采不可避免地向深部轉移，但煤礦沖擊地壓的危害性與資源安全高效回采形成了難以協調的矛盾[1]。如何能在安全高效回采的前提下不發生沖擊地壓顯現成為了世界性的采礦難題。近年來我國沖擊地壓監測及治理手段進步顯著，在沖擊地壓礦井廣泛使用并取得了良好的效果[2-9]。但目前應用的沖擊地壓技術在現場實際應用過程中存在不同程度的弊端，如大直徑鉆孔卸壓無法應用于小煤柱工作面且需要及時封孔，否則易引起煤層自燃，形成次生災害；深孔爆破所需炸藥領用手續繁瑣，危險系數大；巷道頂板水力壓裂弱化范圍有限，無法滿足區域治理等[10-15]。為了保障工作面安全高效回采，筆者提出采用定向長鉆孔分段水力壓裂技術對工作面頂板進行大面積超前區域卸壓治理，基于理論分析、數值計算及現場實測確定了壓裂鉆孔在空間中層位關系。在納林河二號礦井開展了工程試驗，實踐效果表明定向長鉆孔分段水力壓裂技術防沖效果顯著，為沖擊地壓的防治解危提供了新的方向。

1 定向長鉆孔分段水力壓裂超前卸壓原理

由能量理論可知，當系統內積聚能量速度超過耗散速度則系統內部總能量增加，系統處于熵增階段。當系統內總能量超過系統能夠自我平衡的能量閾值時，系統會將能量以某種形式進行釋放。沖擊地壓是由圍巖-煤體系統積聚的彈性能超過了能量閾值導致的能量以動能的形式瞬間釋放過程，可用式(1)表示：

(1)

式中：Ur——圍巖中儲存的能量；

Uc——煤體中儲存的能量；

Us——動載輸入能量；

Ub——系統自身能夠耗散的能量；

t——時間。

Ur及Uc與煤巖體本身的物理力學性質及所處的應力環境有直接關系。通過工程技術手段降低煤巖體的物理力學性質及應力集中程度能夠有效降低沖擊風險。

工作面回采過程中Us主要由頂板運移引起，其中堅硬頂板條件下頂板來壓引起動能釋放為：

式中：m——斷裂頂板的質量，kg；

u——頂板運動位移，m；

ρ——斷裂頂板密度，kg/m?倕；

l——斷裂頂板長度，m；

d——斷裂頂板寬度，m；

h——斷裂頂板厚度，m。

將式(3)代入式(2)可得

(4)

由式(4)可以看出，堅硬頂板垮落時的長度l與寬度d可以控制輸入圍巖-煤體系統的動載能量，從而降低沖擊地壓發生的風險[16-24]。

綜上所述，在煤層堅硬頂板進行定向長鉆孔分段水力壓裂超前卸壓治理，一方面能夠在煤巖體中形成規模裂隙網格并浸潤巖層，利用水對巖石的劣化作用，降低煤巖體物理力學性質和應力集中程度，從而降低圍巖-煤體系統的靜載能量；另一方面降低了堅硬頂板塊度，從而降低圍巖-煤體系統的動載能量。破壞沖擊地壓發生的能量條件，達到降低或者防治沖擊地壓的目的。壓裂弱化前后覆巖結構及應力分布如圖1所示。

圖1 壓裂弱化前后覆巖結構及應力分布

2 工程背景

2.1 工作面概況

31104工作面位于納林河二號礦井一盤區南翼，北臨3DHF1地質異常體邊界，南臨G9-10天然氣管線保護煤柱及首采區邊界，東臨31103-1采空區，西臨31105工作面，如圖2所示。31104工作面主采3-1號煤層，煤層厚度為5.4～5.8 m，平均厚度5.5 m，層位穩定，結構簡單，為近水平厚煤層。31104工作面柱狀如圖3所示。

圖2 31104工作面位置示意

圖3 31104工作面柱狀

3-1煤層經沖擊傾向性鑒定，煤層頂板具有強沖擊傾向性，煤層具有弱沖擊傾向性，兩巷道采用錨-網-索聯合支護。其相鄰工作面在回采過程中出現多起沖擊地壓顯現現象。為了保障礦井安全高效生產，針對堅硬頂板引發的沖擊地壓現象采用定向長鉆孔分段水力壓裂技術對工作面頂板進行區域超前卸壓治理。

2.2 典型沖擊顯現情況

31104工作面相鄰的31103工作面在回采期間發生過典型沖擊地壓顯現情況，具體情況見表1。從表1可以了解到“8·11”沖擊事件與“9·3”沖擊事件均發生在雙面見方區域，具體沖擊地壓顯現位置如圖4所示。

圖4 典型沖擊地壓顯現位置

兩次沖擊事件造成巷道變形嚴重，支護失效，巷道變形素描如圖5所示。由圖5可以看出，沖擊地壓在短時間內多次顯現，嚴重制約了礦井的安全高效生產，因此31104工作面防沖形勢嚴峻，亟需補充防沖手段以遏制沖擊地壓事故的再次發生。

表1 典型沖擊地壓顯現情況

3 基于能量理論的水力壓裂層位判識方法

壓裂目標層位的選擇直接關系著水力壓裂的防沖效果。因此筆者提出了一種基于能量理論的水力壓裂目標層位判識方法。

3.1 水力壓裂層位判識流程

水力壓裂層位判識流程由以下3部分組成：通過覆巖硬層判識公式自下而上對工作面上覆巖層進行硬層判識，得到覆巖中硬層所在位置；通過FLAC 3D數值計算軟件對工作面進行建模，模擬開挖過程，結合可釋放彈性應變能公式篩選覆巖能量積聚重點層位；收集鄰近工作面回采全過程的微震事件數據對微震事件發育層位進行分析，篩選覆巖能量釋放集中層位。上述3個層位的篩選結果取交集，最終確定水力壓裂層位，具體流程如圖6所示。

圖5 兩次事件巷道變形素描

圖6 水力壓裂層位判識流程

3.2 覆巖硬層層位的確定

覆巖中的堅硬巖層是影響工作面礦壓顯現及沖擊地壓災害的重要原因，因此需要對工作面覆巖中堅硬巖層位置進行判別。

覆巖堅硬巖層判別方法是由下往上確定覆巖中的堅硬巖層位置。此處的堅硬巖層非一般意義上的堅硬巖層，它是指那些在變形中撓度小于其下部巖層，而不與其下部巖層協調變形的巖層。假設第1層巖層為堅硬巖層，其上直至第m層巖層與之協調變形，而第m+1層巖層不與之協調變形，則第m+1層巖層是第2層堅硬巖層。由于第1層至第m層巖層協調變形，則各巖層曲率相同，各巖層形成組合梁，由組合梁原理可導出作用在第1層硬巖層上的載荷為：

(5)

式中：q1(x)|m——考慮到第m層巖層對第1層堅硬巖層形成的載荷，kN；

E1——第1層彈性模量，GPa；

h1——第1層巖層厚度，m；

hi——第i層巖層厚度，m；

γi——第i層巖層容重，kN/m3；

Ei——第i層巖層彈性模量，GPa。

考慮到第m+1層對第1層堅硬巖層形成的載荷為：

(6)

由于第m+1層為堅硬巖層，其撓度小于下部巖層的撓度，第m+1層以上巖層已不再需要其下部巖層去承擔它所承受的載荷，則必然有：

q1(x)|m+1

(7)

將式(5)和(6)代入式(7)并化簡可得:

(8)

式(8)即為判別堅硬巖層位置的公式。具體判別時，從煤層上方第1層巖層開始往上逐層計算，當滿足式(8)則不再往上計算，此時從第1層巖層往上，第m+1層巖層為第1層硬巖層；從第1層硬巖層開始，按上述方法確定第2層硬巖層的位置，以此類推，直至確定出最上一層硬巖層(設為第n層硬巖層)。通過硬巖層位置的判別，得到覆巖中硬巖層位置及其所控軟巖層組[25]。

3.3 覆巖能量積聚重點層位的確定

根據工作面柱狀圖建立FLAC 3D數值計算模型，根據能量耗散與釋放原理在采場應力環境產生的能量場中煤巖體單元總輸入能量表達為[26]：

(9)

式中：e——主應力在主應變方向做的總功，J；

σ1——最大主應力，MPa；

σ2——中間主應力，MPa；

σ3——最小主應力，MPa；

ε1——最大主應力方向上的彈性應變；

ε2——中間主應力方向上的彈性應變；

ε3——最小主應力方向上的彈性應變。

引入彈性力學中胡克定律對煤巖體“應力-能量”關系(9)推導得：

(10)

式中：E——彈性模量，GPa；

μ——泊松比。

因此求得煤巖體在上文假設前提(無熱交換與劣化損傷條件下)可釋放彈性應變能Ue為:

利用FISH語言對FLAC 3D數值計算軟件進行二次開發，結合式(11)對各個單元的可釋放彈性應變能進行計算，輸出能量密度云圖。通過能量密度云圖確定能量積聚重點層位。

3.4 覆巖能量釋放集中層位的確定

采集現場相鄰工作面回采過程中的微震監測數據并對能量事件在工作面剖面圖上進行定位。結合工作面柱狀圖對微震事件對應層位的巖性進行劃分。根據巖性劃分結果，統計對應巖性層位的微震能量釋放特征，確定能量釋放的集中層位。

4 方法應用及技術實踐

4.1 壓裂層位的確定

對31104工作面覆巖硬層進行判識，判識結果見表2。由表2可以看出，31104工作面從頂板開始直至地表總計有8層硬巖。

表2 覆巖物理力學性質及硬層判識結果

續表2

構建FLAC 3D數值計算模型對31104工作面覆巖可釋放彈性能進行探究，31104頂板上方可釋放彈性能能量密度分布如圖7所示。由圖7可以看出，31104工作面頂板上方有4層可釋放彈性應變能能量密度較高的巖層，其中，能量密度高且厚度大的2層分別為頂板上方16.0 m處、厚度為25.70 m和頂板上方62.9 m處、厚度為28.56 m的細粒砂巖層，這兩層細粒砂巖為覆巖能量積聚重點層位。

根據采掘布置，收集31103工作面在回采過程中的微震事件并在剖面圖上進行投影，為了能夠更好對微震事件發育高度進行研究，選擇微震事件能量大于1×104J的事件進行投影，如圖8所示。由圖8可以看出，微震在剖面上主要集中在工作面及上覆巖層中，微震事件發育高度可達煤層頂板100 m以上。

圖8 31103工作面微震事件剖面投影

通過對微震數據進行分析后發現，煤層頂板上方不同高度條件下1×104J微震事件能量特征有明顯差異，將不同高度微震事件頻次及平均能量整理后形成表格，見表3。微震事件在細粒砂巖中能量事件均值能量較高，分析可知煤層頂板上方39.7 m及74.4 m處細粒砂巖層微震事件平均能量高于其他層位，是覆巖能量釋放集中層位。

表3 大于1×104 J微震事件分布特征

對上述覆巖硬層層位、覆巖能量積聚重點層位以及覆巖能量釋放集中層位的分析結果取交集能夠得到，頂板上方16.0 m處、厚度為25.70 m，頂板上方62.9 m處、厚度為28.56 m細粒砂巖層應當是壓裂目標層位，通過壓裂弱化巖體強度，以降低其儲存能量能力，抑制能量積聚。

4.2 壓裂鉆孔間距的確定

利用COMSOL Multiphysics多物理場數值計算軟件構建出200 m×100 m×50 m(長×寬×高)數值計算模型，并在模型中央開孔，注水孔直徑為96 mm，長度為100 m，與水平面夾角為0°，如圖9所示。由于研究巖體中的滲流問題，因此物理場選擇達西定律與固體力學。通過分析前期收集到的資料后確定COMSOL Multiphysics模型計算參數：細粒砂巖滲流系數K=1.2×10-8cm/s，孔隙率n=0.33，水密度ρ=1 000 kg/m3，水動力粘度μ=1×10-3Pa·s。

采用自由四面體網格對數值計算模型進行網格劃分，將網格單元大小校準為流體動力學參數，為了更加準確地模擬注水孔周圍滲流場的分布情況，需要對鉆孔周圍的網格進行細化。最終除鉆孔周邊單元，其余單元中最大單元大小為4.71 m，最小單元大小為1.41 m，最大單元增長率為1.15 m，曲率因子0.6，狹窄區域分辨率0.7。模型總計283 231個單元，網格體積總計1 000 000 m3。最終網格劃分如圖9所示。

圖9 COMSOL Multiphysics滲流場計算模型

在數值計算時模擬30 MPa注水壓力下，壓裂1 h后的巖體孔隙壓力場的分布情況。模擬結果如圖10所示。

圖10 鉆孔周邊孔隙水壓力模擬結果

提取出模型中孔隙水壓力與鉆孔垂向位置數據，經整理后如圖11所示。由圖11可以看出，孔隙水壓力在鉆孔周圍達到峰值，隨著與鉆孔徑向距離的增加，孔隙水壓力迅速衰減；在距鉆孔5 m的范圍內孔隙水壓力衰減速度最快。

格里菲斯強度理論認為，具有張開型裂紋的巖體強度受裂紋尖端附近集中后的應力大小控制的張性破裂強度準則。由格里菲斯理論導出，巖體受力后使裂紋尖端附近應力升高值達超其抗拉強度，進而引起裂紋擴展所需滿足的應力條件。

由表2可以看出，煤層頂板上方33 m及73 m對應層位的細砂巖最大抗拉強度為5.74 MPa。根據格里菲斯強度準則，由圖11可以看出，當注水壓力達到30 MPa時，距離鉆孔37 m左右位置時，孔隙水壓力降低至5.80 MPa。水力壓裂宏觀裂隙拓展半徑為37 m左右，因此孔間距取75 m，鉆孔設計方案如圖12所示。

圖11 鉆孔周邊孔隙水分布特征

圖12 壓裂鉆孔設計

4.3 壓裂施工

利用定向鉆進裝備，結合壓裂目標層位結果，在31104工作面布置4個鉆場，共計6個鉆孔，其中高位鉆孔3個，低位鉆孔3個。具體鉆探及壓裂情況見表4。壓裂段位置平面投影如圖13所示。由圖13可以看出，壓裂段基本覆蓋了31104工作面距開切眼150～450 m范圍內的頂板巖層。

圖13 壓裂段位置平面投影

4.4 效果評價

為了保證效果評價的合理性，選取與31104工作面地質條件及開采條件相似的31120工作面進行對比分析。

31120工作面位于一盤區北翼，南臨中央二號輔助運輸大巷，北臨納林河保護煤柱，西臨31121工作面采空區，東臨31119工作面。工作面長300 m，走向長度2614 m。工作面主采3-1號煤層，煤層厚度5.3～6.1 m，平均厚度5.7 m。

表4 鉆探及壓裂情況統計

在工作面煤體中布置深孔及淺孔應力傳感器，實時監測記錄煤體內部的應力分布狀態，將峰值應力與穩定應力之差記為煤體應力差值。煤體應力差值能夠衡量工作面回采過程中煤體內部受到動載荷影響而形成的應力波動情況。煤體應力差值與工作面位置關系如圖14所示，31104工作面壓裂區域煤體應力平均差值為1.80 MPa，31120工作面相同區域煤體深孔應力平均差值為5.92 MPa。31104工作面深孔煤體應力平均差值較31120工作面降低了69.6%。在“一次見方”區域，煤體應力波動水平顯著降低，降低幅度達88%，表明定向長鉆孔分段水力壓裂技術能夠顯著降低煤體內部應力波動，降低煤體沖擊地壓的危險。

圖14 工作面煤體應力對比

在工作面布置微震監測系統，對微震能量事件進行實時監測記錄。為了降低對比條件的差異性，選取31104工作面壓裂區域與31120工作面對應區域產生的微震事件進行對比分析。

31104微震事件投影如圖15所示。由圖15(a)可知，31104工作面壓裂區域內，平面微震事件最遠出現在超前工作面前方412 m處，側向最大發育距離為99 m；由圖15(b)可知，微震事件最大發育高度為工作面煤層頂板上方53 m左右。

圖15 31104工作面壓裂區域微震事件投影

31120工作面對比區域微震事件投影如圖16所示。由圖16(a)可知，31120工作面與31104壓裂范圍的對應區域內，平面微震事件最遠出現在超前工作面前方572 m處，側向最大發育距離為152 m；由圖16(b)可知，微震事件最大發育高度為工作面煤層頂板上方92 m左右。

31104工作面壓裂區域的微震事件分布特征與31120工作面相比，微震事件發育超前工作面距離減少28.0%，側向發育距離減少34.9%，最大發育高度減少42.4%。表明定向長鉆孔分段水力壓裂技術能夠從三維空間上有效降低微震事件發育范圍。

圖16 31120工作面對比區域微震事件投影

將31104與31120工作面回采150～450 m范圍微震事件特征進行對比，微震總能量與事件頻次對比如圖17所示，單刀能量對比如圖18所示。由圖17和18可以看出，31104工作面經過定向長鉆孔分段水力壓裂超前卸壓治理后各項微震事件總能量由15 678 kJ降低至4 202 kJ，降幅達73%，事件頻次由4 436次降低至1 518次，降幅達66%，單刀能量由43 kJ降低至12 kJ，降幅達72%。表明定向長鉆孔分段水力壓裂技術能夠有效降低頂板破斷時所釋放的能量，降低動載荷影響。

圖17 31104工作面與31120工作面微震總能量與事件頻次對比

圖18 31104工作面與31120工作面刀能量對比

綜上所述，通過在工作面頂板運用定向長鉆孔分段水力壓裂超前區域防沖治理技術能夠使煤體內部應力波動程度顯著減小，令各項微震事件發育范圍及監測數據水平顯著降低，表明定向長鉆孔分段水力壓裂技術防沖效果顯著。

5 結論

(1)煤層堅硬頂板進行定向長鉆孔分段水力壓裂超前卸壓治理能夠從靜載能量及動載能量兩方面破壞沖擊地壓發生的能量條件，達到降低或者防治沖擊的目的。

(2)建立了基于能量理論的水力壓裂層位判識方法，綜合工作面覆巖中硬巖層位、能量積聚重點層位及能量釋放集中層位的判識結果最終確定了壓裂鉆孔布置層位為煤層頂板以上33 m及73 m的細粒砂巖中。通過建立多物理場數值計算模型探究了水力壓裂形成的孔隙水壓力場與鉆孔距離的關系，確定同一層位鉆孔間距為75 m。結合上述結果完成了水力壓裂鉆孔方案設計。

(3)在31104工作面進行了現場應用，工程實踐效果表明采用定向長鉆孔分段水力壓裂技術進行超前區域治理后，淺孔應力波動降低65.7%，深孔煤體應力波動降低69.6%。微震事件在空間中的發育范圍超前工作面距離減少28.0%，側向發育距離減少34.9%，最大發育高度減少42.4%?？偰芰?、事件頻次及單刀能量分別降低73%、66%及72%，防沖效果顯著。