煤層巨厚砂巖頂板定向長鉆孔水力壓裂礦震防治技術研究

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.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

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

宋建潮等[3]認為由于開采活動的存在，才使靜止的斷層得以動態(tài)“活化”，產生強烈礦震。劉大勇等[4]提出了礦震發(fā)生的雙巖模式，并指出礦震的產生需具備三個基本條件：存在脆性巖石、巷道壁面有足夠大的變形、在一定的開采深度范圍內。潘一山等[5]認為礦震是區(qū)域地殼運動變形的反映，并指出隨著地殼的不斷運動變形，先后達到應力閾值條件而失穩(wěn)的分別為煤體壓縮型、頂板斷裂型和斷層錯動型，水力壓裂作為防治礦震的一種重要手段得到了廣泛應用。郭相斌[6]利用定向水力壓裂方法對煤層卸壓，從而防治礦井沖擊地壓。郭信山等[7]通過改進井下長鉆孔控制壓裂裝備，試驗井下煤層超高壓定點水力壓裂技術，實現(xiàn)掘進前對沖擊危險煤層一次性卸壓，填補國內外空白。楊俊哲等[8-9]研發(fā)了堅硬頂板分段水力壓裂超前弱化治理技術，有效減弱了礦壓顯現(xiàn)強度，降低了礦震發(fā)生的頻率，實現(xiàn)了堅硬頂板動力災害的弱化解危，并在神東礦區(qū)得到了廣泛應用。

東灘煤礦作為我國高產高效礦井，自2001年6月多次發(fā)生礦震事故，已經嚴重威脅了礦山的安全生產，同時影響了礦區(qū)附近居民的正常生活[10-11]。為了貫徹落實關于礦震防治工作的要求，提高煤礦安全高效生產效率，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，通過確定關鍵層位施工頂板定向長鉆孔，并進行水力壓裂施工，為東灘礦煤層巨厚砂巖頂板定向長鉆孔分段水力壓裂礦震防治提供技術支撐。

1 水力壓裂治理礦震原理

礦震是在工作面上覆巖層運動過程中，各關鍵層控制著上部巖層運動，從而形成影響范圍廣、跨度大的覆巖大結構。隨著工作面的不斷推進，采空區(qū)上覆巖層逐漸垮落，水平離層裂隙不斷向上發(fā)育并止于關鍵層。隨著關鍵層懸空面積的不斷增大，應力集中程度與積蓄的彈性能逐漸升高。當關鍵層所受到的拉應力大于抗拉強度時，便會發(fā)生破斷失穩(wěn)。關鍵層的破斷運動必然會導致覆巖大結構的瞬時失穩(wěn)而引發(fā)礦震。因此，井下水力壓裂治理礦震時應將一層或多層關鍵層壓斷，隨著工作面回采及時跨落，減少或降低懸空距離。同時，每層跨落的巖石膨脹疊加作用對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，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)域為63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，自下而上計算各巖層的載荷，通過巖性分析、關鍵層判斷及現(xiàn)場實際綜合比較，選定侏羅系三臺組下段細砂巖為主關鍵層、二疊系山西組上段中砂巖為亞關鍵層1，本次工程施工的層位見表1[12-13]。

從關鍵層劃分來看，侏羅系三臺組下段細砂巖主關鍵層、二疊系山西組上段中砂巖亞關鍵層1和侏羅系三臺組上段細砂巖亞關鍵層2都進行壓裂施工是最有效的，結合六采區(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、侏羅系三臺組下段和上段均有大的礦震發(fā)生，侏羅系三臺組下段發(fā)生次數(shù)比例最高，因此主關鍵層是施工的重點。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；侏羅系三臺組下段細砂巖層距離3上煤層160～326 m，鉆孔有效距離變短，鉆孔利用率低；侏羅系三臺組上段細砂巖層距離3上煤層500 m，鉆探不能施工。

3 頂板定向長鉆孔鉆探施工

3.1 鉆探設備及鉆進工藝

本次施工選用中煤科工集團西安研究院有限公司研制生產的ZDY12000LD型煤礦用履帶式全液壓定向鉆機。 項目共實施4個頂板定向長鉆孔，采用Ф120 mm定向鉆頭+Ф89 mm螺桿馬達+Ф89 mm上無磁+Ф89 mm泥漿脈沖測量系統(tǒng)+Ф89 mm寬螺旋鉆桿的鉆具組合，實現(xiàn)了Φ120 mm孔徑的定向鉆進；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，實現(xiàn)了掃孔作業(yè)。具體施工參數(shù)見表2，鉆孔剖面軌跡如圖1所示。

表1 復合關鍵層劃分結果Table 1 Composite key layer partitioning results

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

3.2 鉆探施工評述

施工層位為二疊系山西組上段和侏羅系三臺組下段。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#鉆孔的施工情況來看，施工過程中未發(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，東面主要是黃色粗砂巖、中砂巖，含有部分細砂，該層未鉆探施工注意巖屑樣品的采集，發(fā)現(xiàn)中-粗砂巖及時調整工具面，盡可能將鉆孔施工在細-粉砂巖層內，對后期壓裂效果更好。

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

4 頂板長鉆孔水力壓裂技術研究

4.1 水力壓裂設備

本次采用中煤科工集團西安研究院有限公司的BYW65/400型(圖2)壓裂泵組。 水力壓裂成套設備由壓力泵、水箱、高壓管匯、遠程操作系統(tǒng)組成，具有壓力高、流量穩(wěn)定、可遠程操作、遠程視頻監(jiān)控、設備運行穩(wěn)定、運行時間長等特點，可保證施工過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，總長為1 620 mm，最大外徑為86 mm，通徑為50 mm，工作壓力達70 MPa[14-15]。

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

4.2 水力壓裂參數(shù)設計

本次施工采用拖動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)經驗公式計算得到地層破裂壓力為18.10～27.26 MPa，設計每個鉆孔中單段壓裂液用量為50 m3，參數(shù)見表3。

4.3 水力壓裂工藝設計

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科工集團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足裸眼長鉆孔分段壓裂施工要求，并能提出工具重復利用。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。壓裂工藝設計如圖2所示。

表3 壓裂施工參數(shù)設計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

本項目共完成4個鉆孔的壓裂工作，累計壓裂25段，施工壓力為17～32 MPa，可見明顯破裂點，累計注水量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表4。

5 定向長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)測曲線見圖3。

3#鉆孔第六段壓裂位置395～405 m，巖性為灰黑色粉細砂巖，卡距6.5 m。2019年7月22日1點27分開始至2點03分結束，累計壓裂時間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)測曲線見圖4。

表4 頂板長鉆孔壓裂施工情況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，必須能夠壓開巖層，壓裂施工曲線分析是判斷巖層是否壓開的重要指標。從鉆孔壓裂施工曲線可知，壓裂過程基本都出現(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，破裂點很明顯，大部分出現(xiàn)2次以上的明顯破裂點，產生了不同級別的裂縫或縫網。說明本次井下水力壓裂施工工藝完全可以壓開目標巖層，并產生一定規(guī)模的裂縫[16]。

綜上所述，從壓裂工程施工情況分析，本次井下拖動式分段水力壓裂工藝技術，能夠使目標巖層破裂，并能夠形成一定規(guī)模的裂縫，能夠滿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，說明水力壓裂工程的實施破壞了關鍵砂巖層的完整性，改變了砂巖層的物理力學性質，巖層支撐能力變弱。隨工作面的回采，關鍵層不能支撐上覆巖層的載荷，加速了巖層的破裂，進而提高了微震事件發(fā)生的頻次[17]。

研究區(qū)域累計發(fā)生震級為1～2級的微震事件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)域累計發(fā)生震級大于2級微震事件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。說明水力壓裂工程施工大幅度降低了震級大于2級和1～2級微震事件的發(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工作面回采過程中對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)進行了分析。其中1#支架、2#支架、3#支架對應壓裂鉆孔的3#鉆孔和4#鉆孔，以此為例進行分析，工作面支架位置見圖5，具體參數(shù)見表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；壓裂前周期來壓步距平均為23.1 m，壓裂后周期來壓步距平均為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鍵層，3#鉆孔和4#鉆孔壓裂了下關鍵層，由砌體梁理論，對于工作面位置上部關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；下關鍵層進行了壓裂施工后，能夠隨工作面的推進及時跨落，是周期來壓步距降低7.3 m的主要原因。

6 結 論

1) 依據(jù)關鍵層理論，通過試驗計算和地質分析選定2個施工關鍵層位，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組下段細砂巖層，并完成了4個頂板定向長鉆孔鉆探施工，形成了頂板連續(xù)滑動鉆進工藝，單孔孔深為519～800 m，總進尺2 517 m。

2) 通過4個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個鉆孔累計壓裂25段，累計注水量1 286 m3；通過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，最大壓力降低了超過10 MPa。

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