煤層巨厚砂巖頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂礦震防治技術(shù)研究

謝華東，張靜非，王富剛，閆憲洋，侯俊華，張 儉

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273512；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度與開(kāi)采強(qiáng)度日益增大，煤巖動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的強(qiáng)度和頻度明顯增加，礦震引發(fā)的沖擊地壓現(xiàn)象已成為當(dāng)前煤礦安全的重大隱患之一[1-2]。

宋建潮等[3]認(rèn)為由于開(kāi)采活動(dòng)的存在，才使靜止的斷層得以動(dòng)態(tài)“活化”，產(chǎn)生強(qiáng)烈礦震。劉大勇等[4]提出了礦震發(fā)生的雙巖模式，并指出礦震的產(chǎn)生需具備三個(gè)基本條件：存在脆性巖石、巷道壁面有足夠大的變形、在一定的開(kāi)采深度范圍內(nèi)。潘一山等[5]認(rèn)為礦震是區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)變形的反映，并指出隨著地殼的不斷運(yùn)動(dòng)變形，先后達(dá)到應(yīng)力閾值條件而失穩(wěn)的分別為煤體壓縮型、頂板斷裂型和斷層錯(cuò)動(dòng)型，水力壓裂作為防治礦震的一種重要手段得到了廣泛應(yīng)用。郭相斌[6]利用定向水力壓裂方法對(duì)煤層卸壓，從而防治礦井沖擊地壓。郭信山等[7]通過(guò)改進(jìn)井下長(zhǎng)鉆孔控制壓裂裝備，試驗(yàn)井下煤層超高壓定點(diǎn)水力壓裂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)前對(duì)沖擊危險(xiǎn)煤層一次性卸壓，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)外空白。楊俊哲等[8-9]研發(fā)了堅(jiān)硬頂板分段水力壓裂超前弱化治理技術(shù)，有效減弱了礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，降低了礦震發(fā)生的頻率，實(shí)現(xiàn)了堅(jiān)硬頂板動(dòng)力災(zāi)害的弱化解危，并在神東礦區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。

東灘煤礦作為我國(guó)高產(chǎn)高效礦井，自2001年6月多次發(fā)生礦震事故，已經(jīng)嚴(yán)重威脅了礦山的安全生產(chǎn)，同時(shí)影響了礦區(qū)附近居民的正常生活[10-11]。為了貫徹落實(shí)關(guān)于礦震防治工作的要求，提高煤礦安全高效生產(chǎn)效率，本文以東灘礦63上03工作面巷道及上覆巖層為施工區(qū)域，通過(guò)確定關(guān)鍵層位施工頂板定向長(zhǎng)鉆孔，并進(jìn)行水力壓裂施工，為東灘礦煤層巨厚砂巖頂板定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂礦震防治提供技術(shù)支撐。

1 水力壓裂治理礦震原理

礦震是在工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各關(guān)鍵層控制著上部巖層運(yùn)動(dòng)，從而形成影響范圍廣、跨度大的覆巖大結(jié)構(gòu)。隨著工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層逐漸垮落，水平離層裂隙不斷向上發(fā)育并止于關(guān)鍵層。隨著關(guān)鍵層懸空面積的不斷增大，應(yīng)力集中程度與積蓄的彈性能逐漸升高。當(dāng)關(guān)鍵層所受到的拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)發(fā)生破斷失穩(wěn)。關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動(dòng)必然會(huì)導(dǎo)致覆巖大結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)失穩(wěn)而引發(fā)礦震。因此，井下水力壓裂治理礦震時(shí)應(yīng)將一層或多層關(guān)鍵層壓斷，隨著工作面回采及時(shí)跨落，減少或降低懸空距離。同時(shí)，每層跨落的巖石膨脹疊加作用對(duì)上層未壓裂的巖層起到支撐作用，從而減少或降低上層巖層的變形量，可進(jìn)一步減少或降低礦震發(fā)生頻率和能量。

2 水力壓裂施工層位選定

東灘煤礦位于山東省鄒城市境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬鄒城市中心店鎮(zhèn)管轄，其井田位于兗州煤田東部。本次施工區(qū)域?yàn)?3上03工作面巷道及上覆巖層，該工作面位于六采區(qū)中部，南鄰63上04采空區(qū)，北鄰63上02工作面(未采)。依據(jù)砌體梁理論，自下而上計(jì)算各巖層的載荷，通過(guò)巖性分析、關(guān)鍵層判斷及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際綜合比較，選定侏羅系三臺(tái)組下段細(xì)砂巖為主關(guān)鍵層、二疊系山西組上段中砂巖為亞關(guān)鍵層1，本次工程施工的層位見(jiàn)表1[12-13]。

從關(guān)鍵層劃分來(lái)看，侏羅系三臺(tái)組下段細(xì)砂巖主關(guān)鍵層、二疊系山西組上段中砂巖亞關(guān)鍵層1和侏羅系三臺(tái)組上段細(xì)砂巖亞關(guān)鍵層2都進(jìn)行壓裂施工是最有效的，結(jié)合六采區(qū)03工作面、04工作面、05工作面發(fā)生礦震情況，二疊系山西組上段、下石盒子組、侏羅系三臺(tái)組下段和上段均有大的礦震發(fā)生，侏羅系三臺(tái)組下段發(fā)生次數(shù)比例最高，因此主關(guān)鍵層是施工的重點(diǎn)。從鉆探施工工藝分析，二疊系山西組上段中砂巖層距離3上煤層15～46 m，最適合井下鉆探施工；侏羅系三臺(tái)組下段細(xì)砂巖層距離3上煤層160～326 m，鉆孔有效距離變短，鉆孔利用率低；侏羅系三臺(tái)組上段細(xì)砂巖層距離3上煤層500 m，鉆探不能施工。

3 頂板定向長(zhǎng)鉆孔鉆探施工

3.1 鉆探設(shè)備及鉆進(jìn)工藝

本次施工選用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制生產(chǎn)的ZDY12000LD型煤礦用履帶式全液壓定向鉆機(jī)。 項(xiàng)目共實(shí)施4個(gè)頂板定向長(zhǎng)鉆孔，采用Ф120 mm定向鉆頭+Ф89 mm螺桿馬達(dá)+Ф89 mm上無(wú)磁+Ф89 mm泥漿脈沖測(cè)量系統(tǒng)+Ф89 mm寬螺旋鉆桿的鉆具組合，實(shí)現(xiàn)了Φ120 mm孔徑的定向鉆進(jìn)；采用Ф120 mm普通鉆頭+Ф120 mm扶正器+Ф89 mm寬螺旋鉆桿的鉆具組合，實(shí)現(xiàn)了掃孔作業(yè)。具體施工參數(shù)見(jiàn)表2，鉆孔剖面軌跡如圖1所示。

表1 復(fù)合關(guān)鍵層劃分結(jié)果Table 1 Composite key layer partitioning results

表2 頂板定向長(zhǎng)鉆孔施工情況Table 2 Construction of roof directional long hole

3.2 鉆探施工評(píng)述

施工層位為二疊系山西組上段和侏羅系三臺(tái)組下段。其中，二疊系山西組上段中砂巖層距離3上煤層15～46 m，距離較短，適合井下鉆探施工，從2#鉆孔～4#鉆孔的施工情況來(lái)看，施工過(guò)程中未發(fā)生卡鉆、夾鉆等事故，也未出現(xiàn)廢孔；由3#鉆孔和4#鉆孔采集的巖屑樣品可知，該層巖性變化較大，總體上東面巖性比較粗，向西巖性變細(xì)，東面主要是黃色粗砂巖、中砂巖，含有部分細(xì)砂，該層未鉆探施工注意巖屑樣品的采集，發(fā)現(xiàn)中-粗砂巖及時(shí)調(diào)整工具面，盡可能將鉆孔施工在細(xì)-粉砂巖層內(nèi)，對(duì)后期壓裂效果更好。

侏羅系三臺(tái)組下段細(xì)砂巖層距離3上煤層160～326 m，1#鉆孔在這個(gè)層位施工，鉆進(jìn)給進(jìn)壓力較小，鉆進(jìn)速度快，出現(xiàn)1次卡鉆事故，進(jìn)行掃孔后，順利通過(guò)，偶爾出現(xiàn)排渣不暢的情況。該層采集的樣品暗紅色泥質(zhì)砂巖，較脆，遇水膨脹，出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象導(dǎo)致卡鉆。

4 頂板長(zhǎng)鉆孔水力壓裂技術(shù)研究

4.1 水力壓裂設(shè)備

本次采用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司的BYW65/400型(圖2)壓裂泵組。 水力壓裂成套設(shè)備由壓力泵、水箱、高壓管匯、遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)組成，具有壓力高、流量穩(wěn)定、可遠(yuǎn)程操作、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，可保證施工過(guò)程中工作人員的安全。根據(jù)鉆孔孔徑和壓裂工藝選擇封隔器，總長(zhǎng)為1 620 mm，最大外徑為86 mm，通徑為50 mm，工作壓力達(dá)70 MPa[14-15]。

圖1 頂板壓裂孔實(shí)鉆軌跡剖面圖Fig.1 Section of solid drill track of roof compression hole

4.2 水力壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)

本次施工采用拖動(dòng)式分段水力壓裂方式，封隔器巖層頂板裸眼坐封，壓裂液選用清水，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到地層破裂壓力為18.10～27.26 MPa，設(shè)計(jì)每個(gè)鉆孔中單段壓裂液用量為50 m3，參數(shù)見(jiàn)表3。

4.3 水力壓裂工藝設(shè)計(jì)

本次采用雙封單卡后退式分段壓裂工藝。其中，分段水力壓裂快速封孔工藝是中國(guó)科工集團(tuán)西安研究院有限公司自主研發(fā)的有效封孔工具，該套封孔工具能夠滿(mǎn)足裸眼長(zhǎng)鉆孔分段壓裂施工要求，并能提出工具重復(fù)利用。工具組合為：Ф105 mm引鞋+Ф98 mm單流閥+Ф105 mm封隔器+Ф98 mm節(jié)流器+Ф105 mm封隔器+Ф98 mm安全丟手+Ф73 mm油管。壓裂工藝設(shè)計(jì)如圖2所示。

表3 壓裂施工參數(shù)設(shè)計(jì)Table 3 Design of fracturing construction parameters

圖2 分段水力壓裂工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of hydraulic fracturingprocess in stages

4.4 鉆孔水力壓裂施工

本項(xiàng)目共完成4個(gè)鉆孔的壓裂工作，累計(jì)壓裂25段，施工壓力為17～32 MPa，可見(jiàn)明顯破裂點(diǎn)，累計(jì)注水量1 286 m3，其中1#鉆孔壓裂3段，2#鉆孔壓裂1段，3#鉆孔壓裂14段，4#鉆孔壓裂7段。各鉆孔水力壓裂施工情況見(jiàn)表4。

5 定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂效果分析

5.1 壓裂曲線分析

2019年5月18日，中班壓裂施工1#鉆孔第一段，壓裂位置于孔深770～780 m，壓裂時(shí)間為73 min，泵注壓力為20～28 MPa，破裂壓力為24.2 MPa，施工排量為35～59 m3/h，累計(jì)注水量為51 m3，出現(xiàn)明顯壓降2次，最大壓降為10.4 MPa。壓裂監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖3。

3#鉆孔第六段壓裂位置395～405 m，巖性為灰黑色粉細(xì)砂巖，卡距6.5 m。2019年7月22日1點(diǎn)27分開(kāi)始至2點(diǎn)03分結(jié)束，累計(jì)壓裂時(shí)間36 min，泵注壓力為5.3～24.8 MPa，破裂壓力為23 MPa，施工排量為60～69 m3/h，累計(jì)注水為44 m3。出現(xiàn)2次壓力降，壓力降壓力較小為3.3 MPa。壓裂監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖4。

表4 頂板長(zhǎng)鉆孔壓裂施工情況Table 4 Fracturing of roof with long borehole

圖3 1#鉆孔第一段壓裂施工曲線圖Fig.3 Fracturing operation curve of the first stageof No.1 drill hole

圖4 3#鉆孔第六段壓裂施工曲線圖Fig.4 Fracturing operation curve of the sixth stageof No.3 drill hole

壓裂施工要取得效果，必須能夠壓開(kāi)巖層，壓裂施工曲線分析是判斷巖層是否壓開(kāi)的重要指標(biāo)。從鉆孔壓裂施工曲線可知，壓裂過(guò)程基本都出現(xiàn)了明顯的破裂壓力(圖3和圖4)和裂縫的延伸。由圖3和圖4可知，破裂點(diǎn)很明顯，大部分出現(xiàn)2次以上的明顯破裂點(diǎn)，產(chǎn)生了不同級(jí)別的裂縫或縫網(wǎng)。說(shuō)明本次井下水力壓裂施工工藝完全可以壓開(kāi)目標(biāo)巖層，并產(chǎn)生一定規(guī)模的裂縫[16]。

綜上所述，從壓裂工程施工情況分析，本次井下拖動(dòng)式分段水力壓裂工藝技術(shù)，能夠使目標(biāo)巖層破裂，并能夠形成一定規(guī)模的裂縫，能夠滿(mǎn)足煤礦井下治理礦震的要求。

5.2 水力壓裂效果分析

1) 工作面微震監(jiān)測(cè)分析。壓裂前03工作面共發(fā)生微震事件841次，壓裂后發(fā)生微震事件1 479次，壓裂施工促使工作面微震事件大幅增加，說(shuō)明水力壓裂工程的實(shí)施破壞了關(guān)鍵砂巖層的完整性，改變了砂巖層的物理力學(xué)性質(zhì)，巖層支撐能力變?nèi)酢ｋS工作面的回采，關(guān)鍵層不能支撐上覆巖層的載荷，加速了巖層的破裂，進(jìn)而提高了微震事件發(fā)生的頻次[17]。

研究區(qū)域累計(jì)發(fā)生震級(jí)為1～2級(jí)的微震事件130次，其中，壓裂前發(fā)生118次，壓裂后發(fā)生12次，其中有2次發(fā)生位置在壓裂范圍之外，實(shí)際壓裂區(qū)發(fā)生10次，壓裂后下降了11.8倍；研究區(qū)域累計(jì)發(fā)生震級(jí)大于2級(jí)微震事件9次，其中，壓裂前發(fā)生8次，壓裂后發(fā)生1次，壓裂后下降了8倍。說(shuō)明水力壓裂工程施工大幅度降低了震級(jí)大于2級(jí)和1～2級(jí)微震事件的發(fā)生頻次，起到了治理礦震的效果。

2) 工作面支架阻力分析。63上03工作面回采過(guò)程中對(duì)走向壓裂前后支架循環(huán)末阻力數(shù)據(jù)和工作面傾向壓裂前后支架循環(huán)末阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。其中1#支架、2#支架、3#支架對(duì)應(yīng)壓裂鉆孔的3#鉆孔和4#鉆孔，以此為例進(jìn)行分析，工作面支架位置見(jiàn)圖5，具體參數(shù)見(jiàn)表5，由表5可知，走向方向1#支架、2#支架、3#支架壓裂前支架循環(huán)末阻力平均值為31.8 MPa，壓裂后支架循環(huán)末阻力平均值為30.6 MPa，降低了1.2 MPa，變化不大；壓裂前周期來(lái)壓步距平均為23.1 m，壓裂后周期來(lái)壓步距平均為15.8 m，降低了7.3 m。

圖5 工作面支架位置圖Fig.5 Bracket location diagram of working face

表5 壓裂前后支架循環(huán)末阻力和周期來(lái)壓步距參數(shù)表Table 5 Support cyclic final resistance and periodicpressure step parameters before and after fracturing

由于3上煤層覆巖存在多關(guān)鍵層，3#鉆孔和4#鉆孔壓裂了下關(guān)鍵層，由砌體梁理論，對(duì)于工作面位置上部關(guān)鍵層載荷仍然作用在工作面上，是壓裂后支架循環(huán)末阻力降低幅度小的原因；下關(guān)鍵層進(jìn)行了壓裂施工后，能夠隨工作面的推進(jìn)及時(shí)跨落，是周期來(lái)壓步距降低7.3 m的主要原因。

6 結(jié) 論

1) 依據(jù)關(guān)鍵層理論，通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算和地質(zhì)分析選定2個(gè)施工關(guān)鍵層位，自下而上依次為二疊系山西組上段中砂巖層和侏羅系三臺(tái)組下段細(xì)砂巖層，并完成了4個(gè)頂板定向長(zhǎng)鉆孔鉆探施工，形成了頂板連續(xù)滑動(dòng)鉆進(jìn)工藝，單孔孔深為519～800 m，總進(jìn)尺2 517 m。

2) 通過(guò)4個(gè)鉆孔的分段壓裂工程施工形成了東灘礦煤層頂板雙封單卡后退式分段壓裂工藝。 4個(gè)鉆孔累計(jì)壓裂25段，累計(jì)注水量1 286 m3；通過(guò)水力壓裂施工曲線分析，施工壓力為17.1～32.8 MPa，壓力曲線明顯反映了破裂點(diǎn)，最大壓力降低了超過(guò)10 MPa。

3) 水力壓裂施工大幅度降低了震級(jí)大于2級(jí)和1～2級(jí)微震事件的發(fā)生頻次，同時(shí)壓裂后工作面支架循環(huán)末阻力平均值降低了1.2 MPa，周期來(lái)壓步距降低了7.3 m，起到了治理礦震的效果。