地面壓裂弱化厚硬頂板防治沖擊地壓技術研究及應用*

相里海龍,王 冰,張 磊

(1.陜西彬長礦業集團有限公司,陜西 咸陽 712000;2.陜西彬長孟村礦業有限公司,陜西 咸陽 712000)

0 引言

據不完全統計,中國80%以上的沖擊地壓事故都發生在厚硬頂板的煤層巷道內。尤其在西北的神東、陜北和黃隴基地,煤層上方60 m以上大都存在50～100 m的厚硬頂板。該地區為中國重要的煤炭生產與儲備戰略基地,無論資源儲量還是開采強度都是全國最大的地區。由于存在厚硬頂板,煤層開采過程中將產生大面積懸頂結構,造成采場局部應力集中,其突然斷裂更是瞬間釋放強烈動載,極易造成群死群傷的惡性沖擊地壓事故,甚至波及地表,引起地表強烈震動,危害極大。

當厚硬頂板距離煤層較遠時,處理難度和成本將大幅增高。針對該類難題,綜合分析國內外研究現狀發現[1-10],煤礦近年來處理厚硬頂板的主要方法為深孔爆破或者短孔水力壓裂,其中爆破受炸藥管控、施工工藝復雜等影響,在現場使用時具有較大的局限性;短孔水力壓裂設備能力有限,一般處理垂高在50 m以內的頂板,同時兩者還存在施工周期較長、卸壓與生產相互影響、單孔卸壓半徑有限、卸壓區域施工存在較大的安全隱患等問題,難以達到區域卸壓防治沖擊地壓的目標[11-13]。

隨著壓裂工藝與裝備的快速發展,大范圍壓裂技術已在煤礦瓦斯抽采和防治水等災害治理方面得到成功的應用,為沖擊地壓區域防治提供有益借鑒。針對存在高位厚硬頂板可導致動載誘沖的問題,提出一種適合煤礦高位厚硬頂板大范圍壓裂的卸壓防沖技術,可以使完整性好的目標巖層內形成數量眾多、方位和長度不一的網狀裂縫,大幅減弱巖層的整體強度,將煤層上方巖層應力由“硬傳遞”轉化為“軟傳遞”,進而降低開采煤層的整體應力水平,有望從根本上降低甚至消除厚硬頂板沖擊地壓致災隱患,對蒙陜深部厚硬頂板沖擊地壓礦井長遠發展具有重要意義,同時對全國類似條件礦井具有良好的借鑒作用。

1 地面區域預裂頂板卸壓防沖原理

沖擊地壓啟動理論認為[14-15],工作面回采后,厚層頂板大面積懸頂產生的集中靜載或者突然斷裂產生的強動載與煤柱區域積聚的高靜載相互疊加,超過煤柱區巷道煤巖沖擊破壞所需要的最小能量時,將誘發沖擊地壓啟動。沖擊地壓啟動的力學模型如圖1所示。

圖1 厚硬頂板斷裂誘發沖擊地壓的力學模型Fig.1 Mechanical model of rock burst induced by fracture of thick and hard roof

從能量傳遞的角度對煤體沖擊危險性起主要影響作用的巖層做出判斷。設煤層上方的n層巖層依次斷裂并釋放能量,釋放的能量分別記為E1,E2,…,En,震源距離開采煤體的距離為r1,r2,…,rn,該能量在巖體中以指數形式衰減,衰減指數(阻尼)為η,則傳播至煤體的能量見式(1)。

En′=Enr-η

(1)

蘇聯阿維爾申教授認為,巖層內的彈性能可由體變彈性能UV、形變彈性能Ut和頂板彎曲彈性能Uw3部分組成,則巖層能儲存的彈性能見式(2)。

U=UV+Ut+Uw

(2)

其中,頂板彎曲彈性能Uw可分為初次垮落及周期垮落2種不同情況,展開式分別見式(3)。

(3)

式中,M為煤壁上方頂板巖層的彎矩;φ為頂板巖層彎曲下沉的轉角;q為頂板巖層質量與上覆巖層附加載荷的單位長度折算載荷;I為頂板巖層斷面的慣性矩;L為頂板巖層的懸伸長度。

從式(3)可以看出,Uw與L呈5次方正相關關系,L越大,頂板巖層內聚集的彈性能越大。當頂板內積聚的彈性能與煤巖體內積聚的彈性能疊加大于煤巖體破壞所需要的彈性能時,將誘發沖擊啟動。地面壓裂后,巖層內產生大量的人工裂隙,將有效降低懸頂長度L,從而減少沖擊地壓發生的風險,如圖2所示。

圖2 水力壓裂后巖層的不同賦存狀態Fig.2 Different occurrence states of strata after hydraulic fracturing

2 現場應用及效果分析

2.1 試驗礦井地質開采條件

陜西彬長孟村煤礦主采4號煤層平均厚度16.5 m,構造發育、埋藏深、厚度大、具有強沖擊傾向性,屬于復雜地質型煤層。礦井401102工作面附近M4-1鉆孔情況見表1,4號煤上方賦存有多層厚度大于10 m的砂巖層,部分屬于鈣質膠結的難垮巖層,完整性好,強度較好。

表1 M4-1鉆孔關鍵層分析Table 1 Analysis of key stratum of M4-1 borehole

根據礦井已回采的401101工作面“兩帶”觀測孔資料,工作面回采后煤層直接頂板在短期內裂縫發育,發育高度在20 m范圍內,隨著時間推移,裂縫向上發育,發育較為緩慢,在直羅組頂界和安定組底界含礫中粗砂巖層段,橫豎裂隙發育極其緩慢,時間可延伸1個月左右。觀測3～4個月,冒落帶發育基本穩定,4號煤頂板冒落帶最大發育高度74.41 m,最大冒高采厚比4.25倍。由此說明,低位關鍵層在工作面回采過程中能夠及時垮落,其沖擊致災影響程度有所降低,中位關鍵層出現明顯的滯后垮落情況,其沖擊致災影響程度將大幅升高,在各關鍵層不充分垮斷的情況下,中位關鍵層(位于安定組,距離煤層上方57.98 m的砂巖層,厚度為22.5 m)具有在采空區形成大面積懸頂的風險,對沖擊地壓的致災影響程度最大,是地面壓裂需要弱化改性的壓裂目標巖層。

2.2 地面壓裂預裂卸壓防沖方案設計

根據孟村煤礦401102工作面防沖卸壓需要,在工作面共設計3個鉆孔,其中“L”型水平孔2個(編號分別為MC-01L、MC-02L)、參數孔1個(編號為MC-102),具體參數見表1。“L”型孔的水平段軌跡北距401102運輸巷60 m,南距401102回風巷120 m,參數位于工作面中部,平面布置示意、剖面示意如圖3所示。

圖3 孟村煤礦地面壓裂鉆孔布置方案Fig.3 Layout plan of surface fracturing borehole in Mengcun Coal Mine

地面壓裂射孔、壓裂參數確定如下。

壓裂工藝及施工參數:水平段采用免鉆大通徑橋塞分段壓裂,壓裂總長度1 550 m,單井壓裂長度770 m,分15段壓裂,平均50 m/段。

射孔參數:優選裂縫啟裂位置進行分簇限流射孔,2～3簇/段,0.6 m/簇,簇間距平均約17 m;采用89槍深穿透射孔,孔徑約10.5 mm,9～10孔/m,60°相位螺旋布孔,穿深不小于80 cm。

壓裂液組成:壓裂施工排量8～10 m3/min,液量1 100～1 300 m3,砂量35～40 m3,壓裂液采用“低粘線性膠+高粘線性膠”組合體系,支撐劑采用100目石英砂和40/70目石英砂組合模式分級支撐裂縫。

2.3 地面壓裂施工效果監測評價

在孟村地面壓裂試驗過程,采用地面微地震(30通道)、井下微地震(8通道)、地音(4通道)、應力(32組)和井下水量監測等聯合聯測的方式,綜合監測評價壓裂施工效果,以MC-01L井為例,其監測系統布置如圖4所示。

圖4 MC-01L水平井監測平面布置Fig.4 Monitoring plane layout of MC-01l horizontal well

2.3.1 地面微震監測分析

MC-01L和MC-02L壓裂過程中,單段縫長81～340 m,平均縫長268 m;帶寬42～203 m,平均帶寬80 m;縫高37～59 m,平均縫高50 m;累計監測事件9 250起,單段監測事件46～454起,單段微震事件數平均289起。除切眼前方0～155 m和960～1 024 m共計約220 m的未壓裂區域范圍外,人工裂縫沿壓裂工作面走向方向基本上實現了全覆蓋。

2.3.2 井下微震監測分析

MC-01L和MC-02L井壓裂期間井下微震系統累計監測事件1 749起,總能量2.5×106J。其中2次方及以下事件1 106起,3次方事件634起,4次方9起。兩口井壓裂期間井下監測的微震事件分布區域遠廣于壓裂設計區,微震事件在東西方向的分布范圍為2 390 m,南北方向分布范圍為980 m。壓裂過程對井下圍巖的宏觀破裂具有明顯的誘發作用。壓裂期間井下微震事件總體分布特征如圖5所示。

圖5 井下微震系統監測的微震分布Fig.5 Microseismic distribution monitored by underground microseismic system

兩口井壓裂期間,微震活動具有明顯活動規律,如圖6所示。

圖6 壓裂前后微震活動性分析Fig.6 Analysis of microseismic activity before and after fracturing

10月1日至10月7日、10月29日至11月22日期間無壓裂施工,該時間段內微震活動較為平穩,每日微震活動幾乎保持在同一水平;10月8日至10月20日連續壓裂施工,壓裂期間微震活躍程度為壓裂前的3～6倍;10月21日至10月24日停止壓裂施工,該時間段內微震活動逐步降低,說明壓裂后受壓裂擾動的巖體結構在二次平衡過程中也會產生微震事件,但活躍程度小于壓裂期間;10月25日至10月28日恢復壓裂,微震活動再次上升,達到壓裂前的2～3倍;壓裂結束后,微震活動經歷4 d后接近于壓裂前的活動水平。11月23日至12月15日期間為間斷性壓裂,微震活動呈現出較高的波動變化趨勢,圍巖活動受壓裂施工影響較大。

對比同時段壓前壓后的微震活動,據此繪制圖7。壓裂期間微震能量增幅約8倍,頻次增幅約3.8倍。由此推測壓裂過程對圍巖擾動較為強烈。

圖7 壓裂前后地音活動性分析Fig.7 Analysis of geoacoustic activity before and after fracturing

2.3.3 井下地音監測分析

兩口井壓裂期間井下地音系統累計監測事件29271起,總能量1.7×107J。壓裂期間地音活動強度遠高于壓裂前,最高可達到壓裂前地音活動72倍,壓裂促進近場圍巖的能量釋放。從圖7可以看出,壓裂后的地音的活動強度雖低于壓裂期間,但仍舊高于壓裂前,說明壓裂產生的擾動促使近場圍巖應力調整,重新達到平衡過程釋放了一定的能量。

對比同時段壓前壓后的地音活動,壓裂期間地音能量增幅約4.6倍,頻次增幅約2.7倍,壓裂過程擾動近場圍巖產生了較多微破裂事件。

2.3.4 井下水量監測分析

兩口井壓裂期間,401102工作面兩順槽多處瓦斯抽放孔出水,部分鉆孔伴隨出砂。現場分析主要原因為壓裂破碎空間通過地層中的原生裂隙與瓦斯抽放鉆孔溝通,導致壓裂液體進入煤體,并通過瓦斯鉆孔流出。結果表明,壓裂裂縫在垂向方向上具有良好的貫穿作用,但部分區域也存在煤巖裂隙較為發育,壓裂液漏失較為嚴重,需要采用暫堵劑、交聯凍膠等材料對裂隙進行封堵。

2.4 回采期間防沖效果分析

401102工作面自2021年10月3日開始回采,2023年3月16日安全回采結束。從微震事件、支架工作阻力、巷道變形等方面分析防沖效果。

2.4.1 微震活動及支架壓力監測

對401102工作面的微震活動統計分析對比,如圖8所示,壓裂區微震日釋放能量僅為壓裂不充分區的29%,為壓裂盲區的16%;對支架工作阻力統計分析對比,壓裂區較壓裂不充分區或盲區周期來壓強度降低23%,來壓步距減小40%,來壓持續時間縮短55%。

圖8 不同壓裂階段微震活動規律統計Fig.8 Statistics of microseismic activity in different fracturing stages

2.4.2 工作面微震監測數據對比分析

401102工作面較相鄰的401101工作面,如圖9所示,103J以下微震事件頻次上升43%,103J以上微震事件頻次下降88%,基本消除了104J以上能量事件,高能事件大幅降低、低能事件明顯上升,也表明了采空區上覆巖層能夠及時垮落,有效降低垮落時產生的動載強度。

圖9 不同能級微震事件占比對比Fig.9 Comparison of the proportion of microseismic events with different energy levels

2.4.3 工作面煤壁及超前巷道變形對比

401102工作面在壓裂不充分區及盲區回采時,煤壁較破碎有片幫,臨空巷道超前80 m范圍底鼓平均400～800 mm,兩幫收斂300～600 mm;在正常壓裂區回采時,煤壁齊整無片幫,臨空巷道超前80 m范圍底鼓僅100～200 mm,兩幫基本無收斂變形,如圖10所示。表明地面壓裂后,工作面的應力水平大幅降低,能夠顯著改善工作面的作業環境。

圖10 壓裂區與未壓裂區工作面煤壁情況對比Fig.10 Comparison of coal wall conditions of working face in fractured and unfractured areas

3 結論

(1)針對高位厚硬頂板誘發沖擊地壓的問題,常規卸壓手段難以達到區域卸壓防治沖擊地壓的目的。創新性地提出地面區域預裂頂板防治沖擊地壓的方法,優選組合地面壓裂的工藝和裝備,分析地面預裂頂板卸壓防沖的原理,設計孟村煤礦地面壓裂防沖方案。

(2)現場試驗期間,在地面和井下安設地面微震、井下微震、地音、應力等監測系統,構建“裂隙場-震動場-應力場”等多場多參量聯合監測體系。通過初步試驗表明,地面壓裂有效促進壓裂區域高應力集中區能量的釋放,對目標巖層弱化改造效果較好。

(3)401102工作面回采期間監測數據表明,微震日釋放能量和周期來壓強度較401101工作面顯著降低,高能微震事件頻次大幅降低、低能事件明顯上升;壓裂區域的工作面煤壁基本齊整無片幫,臨空巷道超前范圍無明顯變形,反映出地面區域預裂頂板防治沖擊地壓取得良好效果。