井下定向長鉆孔水力壓裂頂板沖擊地壓防治研究

王 冰，王東杰

(陜西彬長孟村礦業有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

隨著開采深度的增加，沖擊地壓礦井數量呈逐年增加趨勢，甚至在很多淺埋深的礦井也出現了不同情況的沖擊顯現[1 -3]。而在影響沖擊地壓的地質影響因素中，堅硬頂板往往占據主要地位。目前對堅硬頂板的處理方法主要為頂板深孔爆破，但是頂板深孔爆破工藝存在安全風險大、操作難度高、易誘發次生災害等不足[4 -7]。而水力壓裂可削弱巖層的整體性和穩定性，并定向切割頂板巖層，通過人為的方法削弱煤巖體承載的高應力，使巷道或工作面處于低應力區域[5 -8]。水力壓裂技術具有安全性高、工程量小、成本低及適應性強等特點，已經在彬長礦區、神東礦區、神南礦區的檸條塔煤礦、紅柳林煤礦推廣應用，并取得了良好的技術與經濟效益[9 -14]。

1 礦井背景

陜西彬長礦區孟村煤礦的中央大巷受X1向斜(延展1 455 m)、DF29斷層(H>30 m)和B2背斜(延展2 980 m)等地質構造影響，局部巷道應力集中程度較高，自2018年以來該區域曾發生過7次不同程度的沖擊地壓，尤其2020年5月24日在中央二號輔運大巷發生沖擊地壓事故(監測能量2.37×105J)，造成6人受傷，直接經濟損失100萬元，亟需從源頭上解決該區域的沖擊地壓問題。該礦主采4號煤層，埋深約為700～900 m，埋深已遠超過當地煤田沖擊地壓臨界深度，且該煤層經鑒定為具有強沖擊傾向性。5條中央大巷均布置在4號煤層中，各大巷間距35 m。中央大巷附近布置有401101工作面，401101運順距離中央二號回風大巷200 m，具體布置如圖1所示。為能夠快速、大范圍弱化構造區附近的堅硬頂板巖層，釋放頂板堅硬巖層集聚的彈性能，削弱周邊采空區活動對中央大巷的影響，該礦采用了井下定向長鉆孔水力壓裂技術對巷道上方的堅硬巖層實施弱化改性。

圖1 礦井中央大巷平面布置Fig.1 Plan layout of central main roadway of coal mine

2 定向長鉆孔水力壓裂頂板方案

2.1 壓裂層位及鉆孔布置

根據中央大巷構造區所處地質構造情況、巷道布置參數及微震事件震源位置，本次大巷壓裂層位確定布置在距巷道頂板45 m高度的粗粒砂巖層內。設計在中央膠帶運輸大巷596 m里程附近施工專用鉆場、壓裂區，卸壓方案設計布置5個鉆孔，其中孔1、孔2、孔3、孔4分別位于大巷區段煤柱上方，孔間距約40 m，孔5位于大巷保護煤柱上方，與孔4間距約70 m。鉆孔布置如圖2所示，鉆孔設計參數見表1。

2.2 壓裂施工流程

設計采用大流量壓裂泵進行后退式分段水力壓裂，分段距離15 m左右，分段壓裂時間不小于30 min，選擇清水作為壓裂液。定向鉆孔裸眼分段壓裂采用雙向錨定擴張式裸眼封隔器、投球式安全接手、壓差式開啟滑套以及坐封球座等工具下入孔內，使用裸眼封隔器封隔頂板段，實現壓裂作業孔段橫向分段隔離，可以實現全孔段完全壓裂作業。鉆孔內壓裂工具組合如圖3所示。

圖2 深孔水力壓裂1#～5#孔平面布置及剖面示意Fig.2 Plane layout and profile of No.1～No.5 hole of deep hole hydraulic fracturing

表1 定向鉆孔設計參數

壓裂施工設備包括：雙履帶式全液壓定向鉆機(ZYWL-6000DS)3700 mm×1 450 mm×2 100 mm(長×寬×高)；電機功率75 kW，電壓等級660/1 140 V；履帶泥漿泵車2 140 mm×1 150 mm×1 450 mm(長×寬×高)；螺桿馬達2根(cctegxian-89-5，1.25°)，電機功率55 kW，電壓等級660/1 140 V；高韌性螺旋鉆桿(φ73 mm，L=3.0 m)230根；胎體式復合片鉆頭(FTP96四翼平底定向鉆頭)6只；加強型螺旋擴孔鉆頭(PDCKφ153)4只；水變(φ73 mm)4個。

施工流程：固定鉆機→連接壓裂工具串→開動壓裂泵→管路測壓→封隔壓裂→穩壓注水→停泵放水與檢測→退管柱→下分段壓裂作業。

圖3 深孔水力壓裂鉆孔內壓裂工具組合Fig.3 Combination of fracturing tools in deep hole hydraulic fracturing drilling hole

3 壓裂效果數值模擬

考慮B1背斜、X1背斜和DF29斷層組成的復合構造區，應用FLAC3D軟件，模擬孟村煤礦5條中央大巷堅硬頂板水平井壓裂。根據M4-2號鉆孔測得孟村煤礦大巷位置煤層厚度為22 m。大巷布置在煤層中部，底煤厚度平均10 m。直接頂砂質泥巖厚度約為3.5 m。基本頂為細粒砂巖厚度約8 m，煤層上方20 m賦存有粗砂巖，巖層厚度達到17 m以上。鋁質泥巖底板模擬厚度約為7 m，下層底板泥巖厚度為10 m。根據中央大巷煤層厚度、頂板巖性和試驗強度，以及水平井壓裂層的選擇，頂板建模至煤層上方的粗砂巖關鍵層，加上褶曲的起伏和斷層導致的巖層錯動，共計巖層模擬厚度80 m。工作面布置模型如圖4所示。

圖4 工作面布置模型Fig.4 Working face layout model

根據數值模擬數據分析，對比如圖5(a)和(b)所示，堅硬頂板壓裂后，大巷間煤柱中的應力集中較壓裂前下降，煤柱應力由38 MPa下降至36.5 MPa；煤柱應力由39.7 MPa下降至38.7 MPa；煤柱應力由37.1 MPa下降至36.2 MPa。水平井壓裂后，煤巖體的結構改變，系統更容易計算平衡，相同的時步下，壓裂后的煤巖層結構更快地達到平衡。可以認為堅硬頂板壓裂后，大巷和頂板中的壓裂空腔共同形成穩定的結構，能夠以較小的應力維持平衡。

圖5 大巷煤柱應力集中模擬Fig.5 Stress concentration simulation diagram of main roadway coal pillar

4 基于現場監測的壓裂效果分析

4.1 壓裂效果檢驗方案

為了檢驗中央大巷頂板水力壓裂卸壓效果，在壓裂區域增設微震、地音探頭，并安設錨桿(索)測力儀持續監測頂板壓裂前、壓裂過程中及壓裂后整個過程煤巖體震動活動性及巷道支護力等。監測設備安裝位置如圖6所示。

圖6 微震、地音、錨桿(索)測力計等監測設備布置Fig.6 Layout of monitoring equipment such as microseism，geosound probe and anchor rod(cable)dynamometer

4.2 壓裂效果分析

4.2.1 水壓監測

采用專用記錄儀監測水力壓裂過程中水壓變化曲線，壓裂過程中的最高水壓一般為 12～31 MPa，說明不同地點頂板的強度和完整性不同，局部巖層堅硬、致密。圖7為5#孔壓裂過程中水壓變化曲線，從壓裂曲線可看出：正常情況下，壓裂開始 10～15 min壓裂點首個裂縫被壓開，開縫時初始壓力達到20 MPa以上，附近已發生過沖擊顯現或地質異常的區域初始壓裂小于20 MPa；首個裂隙壓開的瞬間，水會即刻滲入裂隙，壓力會有一個明顯的突降，壓裂水充滿裂隙后壓力逐漸恢復，到一定壓力值后裂隙被逐步壓開，在足夠流量及泵壓保障下，如此循環著多個加壓和相應壓力釋放的過程，在此過程中巖層裂縫被逐步壓開；壓裂孔圍巖完整性較好時，壓裂曲線呈現鋸齒狀，說明巖層在發生反復張拉破壞，裂紋持續穩定擴展，壓裂過程長時間保壓能很好保證壓裂效果。

圖7 5#孔壓裂過程水壓變化曲線Fig.7 Water pressure change curve of 5# hole during fracturing

4.2.2 微震監測

統計2020年7月1日—8月17日微震事件活動趨勢，如圖8所示，可以得出如下規律：每次壓裂施工結束后微震活動性明顯降低，尤其能量釋放處在較低水平，經歷6次壓裂后，中央大巷頂板圍巖活動呈現明顯的逐漸下降趨勢；6次壓裂施工過程中微震活動性均有所增加，尤其在25日1#孔壓裂增加泵壓后，微震活動明顯出現先高頻次低能量→后低頻次高能量的趨勢，表明壓裂過程中頂板圍巖的裂隙發育、貫通及圍巖破裂的卸壓過程；中央大巷開展頂板壓裂后整體上微震活動低于壓裂前(7月1日—7月13日)。截止到2022年1月份，中央大巷復合構造壓裂區內再沒有發生過沖擊顯現或4次方以上高能事件，整體壓裂效果較好。

圖8 中央大巷壓裂前后微震頻次-能量變化趨勢Fig.8 Variation trend of microseismic frequency-energy before and after fracturing in central main roadway

選取壓裂前50 d(5月24日—7月12日)和壓裂后50 d(8月16日—10月4日)微震數據進行對比分析，得到：微震事件由79次降低至44次，降低了44.3%，總能量由4.04×105J降至6.73×104J，降低了83.3%，如圖9所示，表明中央大巷構造區應力得到有效釋放。

4.2.3 地音監測

對1#～5#壓裂孔壓裂前后地音數據進行分析，壓裂后中央二號輔運大巷8#地音探頭監測地音頻次由20 646次降低至2 965次，降低了85.6%，總能量由6.32×106J降至1.50×106J，降低了76.3%；9#地音探頭監測地音頻次由19 345次降至1 854次，降低了90.4%，總能量由5.17×106J降至1.26×106J，降低了75.6%。可以得出壓裂施工期間單位時間地音能量明顯高于非壓裂時間，而且是持續保持較高的水平。圖10為壓裂過程中中央一號輔運大巷的27#地音探頭活動性變化趨勢。

4.2.4 錨桿(索)應力變化情況

錨桿(索)測力計無明顯變化，錨桿(索)屬于主動支護，錨桿(索)受力的降低往往是在錨固體受損的情況下出現，受力曲線沒有降低說明水力壓裂并沒有導致巷道支護能力下降，這對防沖是有利的。

圖9 中央大巷構造區微震能量及頻次變化規律Fig.9 Variation law of microseismic energy and frequency in central main roadway structural area

圖10 一號輔運大巷27#地音探頭活動趨勢Fig.10 Activity trend of 27# geasound probe in No.1 auxiliary transportation roadway

5 結語

針對孟村煤礦中央大巷復合構造區應力集中、沖擊危險較高的問題，采取中央大巷構造區定向長鉆孔水力壓裂措施，通過壓裂降低厚硬巖層的強度和完整性，能量傳遞由硬傳遞變為軟傳遞，大巷構造區沖擊危險性持續降低，表現為微震活動呈現“低頻低能”狀態，避免較高程度的應力集中，從而降低誘發沖擊啟動的載荷源。數據分析表明，定向長鉆孔水力壓裂對中央大巷復合構造區卸壓效果顯著，大幅降低沖擊危險，取得良好效果，達到保障安全生產的目的，為類似條件巷道沖擊地壓防治積累了經驗。