地震頻率諧振技術在煤層頂板水力壓裂監測中的應用分析

王方方，田 原，韓寧寧，薛愛民，王 超，謝華東，李小瑞，王正茂

（1.兗礦能源集團股份有限公司，山東 鄒城 273500；2.北京派特森科技股份有限公司，北京 100085）

我國煤層賦存條件比較復雜，頂板為堅硬且難以及時垮落的煤層約占三分之一，該類頂板通常具有巖石強度高、節理裂隙不發育、厚度大、整體性強、自承能力強等特點。前人研究表明，煤層堅硬頂板斷裂與礦震發生存在關聯。朱斯陶等[1]對頂板運動型礦震及災害發生機制、預測和工程分類計數進行了研究，將頂板運動型礦震分成了三種運動模式，并給出了能量預測模型；高明仕等[2]針對厚硬頂板覆巖破斷釋放沖擊能量影響采場安全性等問題，研究了覆巖沖擊震源層初次破斷和周期破斷產生的沖擊能量大小以及沖擊震動波在傳播過程中的能量耗散機理；王富奇[3]揭示了東灘煤礦礦震類型多為關鍵層斷裂型礦震和原巖應力與構造應力耦合型礦震，并分別研究了兩類礦震的發生機理，提出了關鍵層斷裂型礦震能量的計算方法。

為了進行礦震防治，減弱煤層頂板集中動載效應，了解水力壓裂過程中產生的裂縫對頂板應力場變化的影響，有助于正確評價誘發此類礦震關鍵層的巖石力學參數。焦戰等[4]采用擴展有限元法模擬了裂縫擴展過程，分析了水平應力比、抗拉強度、泊松比、間隔時間、注液速率和裂縫間距對裂縫擴展的影響；趙新宇[5]基于斷裂力學、流固耦合理論，建立了煤層開挖與水利壓裂相耦合的數值模型，模擬得出了厚硬頂板破斷的礦壓作用規律，明確了厚硬基本頂的斷裂是造成煤層工作面強礦壓的主要原因；王素玲等[6]利用擴展有限元框架下的分離裂縫模型模擬了裂縫在砂、泥巖界面上的擴展過程，分析了裂縫穿過界面擴展的影響因素，指出了裂縫在非均勻巖層內的擴展機理主要是由界面層的不同力學性質導致。

上述研究內容通過理論分析與計算機模擬驗證了水力壓裂技術在頂板裂隙監測中的可行性。在工程實踐中，主要通過改進壓裂工藝、優化監測壓裂過程所采用的地球物理方法來提升和評價水力壓裂技術的實質效果。劉文靜等[7]采用特厚堅硬頂板水力壓裂施工工藝為頂板卸壓控制技術提供了有力支持；門鴻等[8]采用超長鉆孔水力壓裂技術對煤層上方堅硬巖層進行壓裂，有效降低了上覆巖層頂板的整體強度，通過高壓水切割的方式，達到了大面積弱化頂板的目的，證明了該技術可以有效降低工作面開采過程中煤層上方頂板的沖擊勢能；牛同會[9]提出了對工作面頂板施工定向水力壓裂措施來弱化堅硬頂板巖層，控制其垮落，揭示了分段水力壓裂弱化堅硬頂板降低回采期間礦壓顯現的機理；張林等[10]利用激發電磁法，有效觀測到壓裂液引起的電信號變化，對壓裂液的延伸范圍做出了定性分析，側面展示了裂隙在地下的空間延展特征；姜志忠[11]進行了井下煤層水力壓裂微震響應規律和煤系地層彈性波傳播特性的研究，發現了煤巖體不同的局部破裂會產生不同的諧振頻率，釋放不同頻率的聲發射信號，表現出多頻同響特征，多頻同響指數可以表征宏觀裂縫的形成。

東灘煤礦自進行開采活動以來，已監測到多次震動事件，嚴重威脅到礦山的安全生產。為了探索適合該礦區的礦震防治技術，閆憲磊[12]利用微震監測的方法，對東灘煤礦礦震的發生規律及影響因素進行了深入系統的研究；詹慶超等[13]、謝華東等[14]通過對東灘煤礦礦震事件發生規律及成因的分析，提出并利用煤層巨厚頂板定向長鉆孔分段水力壓裂礦震防治技術，實現了對礦震發生次數和等級的降低。本文則是基于地震頻率諧振技術[15]，以東灘煤礦為工程背景，對煤層頂板水力壓裂監測效果進行研究與分析。通過在壓裂井孔軌跡周邊網格化部署地震頻率諧振探測廊帶，進行壓裂前后高精度成像，查明壓裂作業所形成的地層低波阻抗異常帶空間展布特征，結合已知的鉆孔和巷道資料，綜合評價地震頻率諧振技術在高位堅硬頂板的水力壓裂監測中的效果。

1 地震頻率諧振技術介紹

1.1 地震頻率諧振技術原理

任何物體都存在其自身的固有頻率，大到地球，小到微電子。當振動作用于物體，物體要做出相應的響應，振動的頻率與物體的固有頻率一致時，物體將放大振動的幅度，即產生諧振現象。自然界存在大量的非人為的主動性振動場，如潮汐波動、板塊運動，也有人類活動引起的地表振動。這些振動引發的地震波能量多數以面波的形式，少量以體波的形式存在于地球表面。由于地球從表面到深部具有從低速度向高速度變化的特點，根據地震波傳播理論，波場從地下傳播到地面的傳遞函數公式見式（1）。

式中：θ為地下波場與水平地面的角度，（°）；Ω1為上層波阻抗值，g/cm3·m/s；Ω2為下層波阻抗值，g/cm3·m/s。當θ=90°時，發生諧振，如果簡化成均勻大地上方單層地層狀況，則可寫成式（2）。

放大倍數函數（即傳遞函數）與地層的關系式存在確定的表達式，當具有放大倍數函數，同時通過地面觀測獲得激勵場函數，兩者擬合便可進行地質參數反演，最終得到地層對應的波阻抗、厚度、密度等地質信息，從而最終實現對地下地質空間特征進行描述的目的[16]。

1.2 地震頻率諧振技術特點

1）具有較強的抗干擾能力。由于處理過程中將常規地震勘探的多次迭加技術引入其中，壓制大量的無用信號噪聲，使得地震頻率諧振下的地震數據信號占優，提高了采集數據質量。

2）具有較好的成像精度。該方法利用地震波與地質體的諧振現象對地下介質進行成像，成像參數為視波阻抗比率或視波阻抗。無論是選取波阻抗還是比率，其本質都是與密度和速度相關的函數。尤其針對目標地質體與圍巖密度差異大的地區，地震頻率諧振技術擁有更靈敏的識別精度。

3）無需人工激發震源。與常規的地震勘探基本理論不同，該技術無需應用人工激發震源，主要利用地球內部廣泛存在的背景震動噪聲進行成像，野外采集不破壞自然環境，安全環保。

2 工區概況及數據采集處理

2.1 工區概況

東灘煤礦位于山東省鄒城市境內，井田處于兗州煤田的核部和深度，地應力較為集中。由于礦區厚關鍵層（特厚層砂巖老頂）覆巖在煤礦采空后的壓力釋放伴有動力沖擊等強礦壓顯現問題，在地層淺地表會引發礦震等地質災害；且六采區受特殊地質構造條件影響，進行回采活動時，頻繁發生震動現象。截至本次工程施工前，共監測到震動事件205 次，其中，震級在1 級（地面有輕微震感）以上的礦震事件達6 次。

本次開展地震頻率諧振采集工作的63上03 工作面位于六采區中部，南鄰63上04 采空區，北鄰63上02工作面（未采）。工作面傾斜寬250 m，標高為-581.9～-715.0 m，平均為-650.3 m；地面標高為+46.87～+49.17 m，平均為+47.91 m。煤層頂底板狀況見表1。

表1 煤層頂底板情況Table 1 Conditions of roof and floor of coal seam

2.2 數據采集

根據施工設計安排，通過在壓裂井孔軌跡周邊布設20 m×20 m 等間距網格數據采集點（表2），對1號鉆孔壓裂前后和3 號鉆孔、4 號鉆孔壓裂后實施監測（圖1）。

圖1 63上03 工作面壓裂監測測點布設區域圖Fig.1 Layout of fracturing monitoring points in 63 upper 03 working face

表2 壓裂監測工作量Table 2 Fracturing monitoring workload

本次施工選用全液壓定向鉆機，采用拖動式分段水力壓裂方式，封隔器巖層頂板裸眼坐封，三個鉆孔均以清水作為壓裂液，其注水壓力根據試驗地點地應力和瓦斯壓力計算，初步確定注水壓力為18.1～27.2 MPa，實際施工過程中，各壓裂段的地層破裂壓力大于上述經驗計算值，基本在17～32 MPa。設計每個鉆孔中單段壓裂液用量為50 m3，各鉆孔軌跡在工作面剖面圖上的位置如圖2 所示。

圖2 63上03 工作面壓裂孔實鉆軌跡圖Fig.2 Section of solid drill track of compression borehole in 63 upper 03 working face

地面數據監測采集所使用的檢波器為工作頻率0.2～150 Hz 的高精度頻率諧振采集站，均挖坑埋設至地表以下，并壓實表面確保儀器的耦合效果，單點數據采集時長不少于1 h。

2.3 數據處理

地震頻率諧振數據的處理主要包含疊前多域去噪、信號能量補償、高精度速度分析與測井約束聯合反演三個方面。

1）通過地震頻率諧振勘探技術采集獲得的原始數據的噪音類型主要包括有源干擾、線性干擾、異常振幅干擾、環境噪音等。因此，在成像處理之前，需進行針對性疊前去噪，這是前期數據處理工作的重點。根據噪音的類型和強度通常采取多域多次的迭代處理，常用的手段包括以下幾方面：①通過分頻的方式，設定合理的壓制系數值，達到對直流噪音、環境噪聲和異常振幅干擾的有效壓制；②利用相干噪聲壓制技術，對線性干擾通過分析其自身的頻率、相位、速度特征進行噪聲壓制，以提高中淺層資料的成像質量；③在（炮）點域去噪完成后，將數據分選到CMP 視域，某些異常振幅和外源干擾會變得更加隨機，利于區分和壓制，從而使得殘余的異常噪聲和外源干擾能量得到進一步壓制。

2）由于地表條件的差異，不同（炮）點間、道間能量不一致。為了消除由于地表地震地質條件因素不一致造成的空間能量不均衡的問題，在完成第一步的疊前多域去噪處理之后，還將對數據采取一系列振幅補償措施，補償波前能量隨著地震波傳播距離的增加而衰減，造成縱向上能量差異。補償的參數以本區域速度為依據，并結合本區域內已知且具有代表性的點來記錄檢驗補償效果，確認所使用的區域速度的合理性。

3）速度分析與測井約束聯合反演是數據處理中極其關鍵的工作。速度多次迭代與成像精度是密切相關的，精確的速度有利于解決成像的精度問題。針對本礦區，通過利用礦區測井資料得到的聲波特征、巖性特征、電性特征等物理性質對速度模型和地質模型進行修正，調整各項處理參數，達到區分出該地區地質目標體和圍巖差異的目的。

3 煤層頂板壓裂效果分析

3.1 1 號鉆孔壓裂井段裂隙空間發育特征

壓裂孔是由工作面前方的聯絡巷開口鉆進，行進至目標層位后開始進行壓裂作業。但由于現場設備原因，1 號鉆孔僅完成前3 段壓裂作業（第2 段壓裂由于地層破裂后水壓降低未能形成有效壓裂），總長度約60 m。該壓裂層段所處水平層位在-460～-490 m，巖性以細砂巖為主，厚約156 m，其上部夾薄層粉砂巖，下部夾薄層中砂巖，整個壓裂層位屬于侏羅紀三臺組下段主關鍵層。

1 號鉆孔的水平投影基本位于L3 測線和L4 測線之間，檢波器布設范圍如圖3 所示，1 號鉆孔壓裂后L1 測線～L6 測線效果圖如圖4 所示。由圖4 可知，未進行水力壓裂作業的厚關鍵層整體表現為水平層狀，而經過壓裂作業后的目標層位在各測線剖面對應的位置上均發生了波阻抗值的變化，說明壓裂作業后導致了壓裂區域的巖層被破壞，形成的裂隙區表現出了明顯的低波阻抗特性。而各條測線的低波阻抗區域均近似橢圓形，也說明裂隙擴展的路徑以水平展布為主，垂直方向上則受地應力壓力影響，高度基本未超過30 m。同時，壓裂作業后除了形成較大型的導水裂隙區之外，還形成了不導水的應力降低區，前者范圍小，而后者范圍較大，故而在測線剖面圖上呈現出的低波阻抗區比實際產生的導水裂隙區要大。

圖3 1 號鉆孔檢波器位置分布Fig.3 Location distribution of geophones in borehole 1

圖4 1 號鉆孔壓裂后L1 測線～L6 測線效果圖Fig.4 Effect diagram of lines L1-L6 after fracturing in borehole 1

3.2 3 號鉆孔壓裂井段裂隙空間發育特征

3 號鉆孔壓裂作業也由相同位置開口鉆進，沿斜上方行進至目標層，一共實施了14 段壓裂，總長度約480 m，整個壓裂段所處水平層位在-640～-680 m之間。其中，前7 段巖性以粉細巖、細砂巖為主，含少量砂質泥巖，后7 段巖性則以中砂巖、粗砂巖為主，整套壓裂層位處于二疊系下石盒子組。

3 號鉆孔的水平投影位置同樣位于監測區域的中心、即L3 測線和L4 測線之間，如圖5 所示。3 號鉆孔壓裂后L1 測線～L6 測線效果圖如圖6 所示。由圖6 可知，壓裂作業后的目標層段在6 條測線上均表現為波阻抗低值異常，裂隙的擴展形成特征也與1 號鉆孔壓裂效果類似，同樣形成了范圍較小的導水裂隙區和外層較大范圍不導水的微裂隙低應力區。

圖5 3 號鉆孔檢波器位置分布Fig.5 Location distribution of geophones in borehole 3

圖6 3 號鉆孔壓裂后L1 測線～L6 測線效果圖Fig.6 Effect diagram of lines L1-L6 after fracturing in borehole 3

但相較于1 號鉆孔，3 號鉆孔實施了更長的壓裂作業長度，基本覆蓋到采集測線的長度，但各條測線在其0～150 m 長度區間內（大致對應壓裂作業的前5 段）所顯示的壓裂效果并不明顯。分析認為是由于巖層賦存狀態不均勻，當壓裂作業在地層中壓出一條裂縫后，由于地層的濾失作用，以及受限于當時壓裂泵組的最大作業功率，難以將注水壓力繼續提高，無法超過該處地層耐破上限的壓力，也就未能再對該段地層造成充分的破裂。但在3 號鉆孔壓裂的中后段，通過測線剖面可以看出，基本形成了一段沿測線走向方向整體長度約200 m、垂向有效壓開高度超過80 m 的低波阻抗連片區，證明此處壓裂效果良好（圖7）。

圖7 3 號鉆孔壓裂后3D 效果展示圖Fig.7 3D effect display after fracturing in borehole 3

3.3 4 號鉆孔壓裂井段裂隙空間發育特征

4 號鉆孔最后進行施工，同樣是由工作面前方的聯絡巷開口鉆進，共計完成10 個壓裂段，總長度約350 m 的壓裂作業，整個壓裂段所處水平層位在-650～680 m 之間。第1 段、第2 段巖性以粉細砂巖、細砂為主，夾雜少量泥巖；中段則以灰黑色粉細砂巖互層為主；從第4 段往后，巖性則以黃色中細砂巖、中粗砂巖為主。整套壓裂層位處于二疊系下石盒子組。

4 號鉆孔水平投影軌跡貫穿整個監測區域，同樣也位于L3 測線和L4 測線之間，如圖8 所示。4 號鉆孔壓裂后L1 測線～L6 測線效果圖如圖9 所示。由圖9 可知，4 號鉆孔壓裂后的目標層段也在6 條測線上表現出波阻抗異常低值，但是在測線中后段200～340 m 之間出現一段明顯高波阻抗區，“打斷”了前后低波阻抗區的連續性。分析認為主要是受此處地表公路橫穿測線的影響，導致檢波器接收到的能量過強，未能真實反映出該段的壓裂效果。同時，位于鉆孔水平地表投影軌跡北側區域的測線（即L4 測線、L5 測線、L6 測線），裂隙擴展范圍明顯較南側區域測線大，說明在壓裂作業后裂隙主要沿此方向在延伸，與該采區的最大水平主應力方向是大致相同的。

圖8 4 號鉆孔檢波器位置分布Fig.8 Location distribution of geophones in borehole 4

圖9 4 號鉆孔壓裂后L1 測線～L6 測線效果圖Fig.9 Effect diagram of lines L1-L6 after fracturing in borehole 4

4 結論

1）壓裂作業后形成的裂縫區往往在剖面對應位置上呈現出非常明顯的低波阻抗帶，且裂隙的空間延伸方向與該地區的最大水平主應力方向基本一致，表明通過地震頻率諧振勘探技術對煤層頂板的水力壓裂監測是可行的，對于后續評價水力壓裂技術在礦震治理中的效果具有積極作用。

2）上述低波阻抗帶不僅反映了壓裂作業會對目標巖層核心區造成破壞而產生具有導水功能的裂隙外，還反映了垂直裂隙尾翼發育的狀態。這種尾翼的長度要遠大于裂隙本身，但與之不同的是，這種“包裹”裂隙區外圍的低波阻抗區其實是一種不具備導水功能的應力降低區，可以將其定義為微裂隙帶，這一特征與水力壓裂對巖層力學狀態的影響是相符的。

3）在數據采集中發現，地震頻率諧振技術具備一定的抗隨機干擾能力，能夠在井場絕大部分的電磁、人文干擾環境下完成數據采集。但是對于固定的強震源干擾（如交通繁忙的主干道路），與其臨近的測點采集信號仍會受到較強的干擾，最終導致噪聲信號在反演過程占據主導，影響成圖質量。因此，實際施工過程中，應盡量避免此類情況發生，同時，針對強干擾數據的去噪處理方法也有待進一步優化。