雙厚組合堅硬頂板定向長鉆水力壓裂評價體系研究

楊 歡，王澤陽，鄭凱歌,3，李彬剛，李延軍，楊 森，王豪杰，戴 楠，王林濤

（1.蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730030；2.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077；3.安徽理工大學地球與環境學院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

我國煤炭資源儲量豐富，賦存條件復雜多變，其中當頂板存在堅硬厚巖層時，工作面采后頂板難以隨采隨落，經常會出現大面積懸頂，當懸露頂板達到破斷條件時斷裂易形成大面積風暴造成工作面沖擊事故[1-4]。

專家學者們針對厚硬頂板防治措施展開了深入研究，目前針對厚硬頂板的防治措施主要有深孔預裂爆破[5]和水力壓裂[6]兩種。其中，深孔預裂爆破可以使厚硬頂板長臂梁變為短臂梁，降低來壓風險[7-8]，但是其工程量大，爆破易產生有害氣體，在高瓦斯礦井中還有使用條件限制[9]。近年來，隨著水力壓裂技術的發展，其安全性、經濟性和方便性等較其他方法有較大的優越性，越來越多礦井采用水力壓裂弱化頂板[10]。在壓裂參數方面，李明軒等[11]、王銳等[12]、焦戰等[13]研究了堅硬頂板壓裂工程中不同地應力、層面夾角、巖層性質、壓裂參數等條件下裂縫的擴展形態。在壓裂方法方面，張京民等[14]提出堅硬頂板初采期間深淺孔耦合三維定向水力壓裂技術使工作面初次來壓步距大幅減小；呂玉磊等[15]提出“高-低”位定向分段水力壓裂技術使堅硬頂板能夠及時垮落；李術才等[16]總結了多年來我國超長定向鉆進技術的發展歷程并對未來發展趨勢提出了展望。在壓裂效果和應用方面，潘俊鋒等[17]提出在厚硬制災層頂板處通過水力壓裂“人造解放層”使頂板載荷由硬傳遞改為軟傳遞，減小整體來壓水平；王澤陽等[18]提出可采用定向水力壓裂防治沖擊地壓；王元杰等[19]分析了深部厚硬巖層壓裂對沖擊地壓的影響并通過試驗明確了巖層的可壓裂性能。

綜上所述，水力壓裂技術在厚硬頂板懸頂治理中起到突出的作用，學者們針對水力壓裂參數選取、壓裂方法等有著較為豐富的研究，但對于壓裂效果評價方面，大部分僅是針對工作面來壓強度進行分析，深入全面的研究相對較少。本文重點分析雙厚組合堅硬頂板水力壓裂后裂縫擴展情況，多手段建立定向長鉆孔水力壓裂效果綜合監測評價體系，揭示水力壓裂弱化頂板的實質，為工作面安全高效生產提供保障。

1 地質概況

新疆寬溝礦業公司目前主采B2煤層，煤層直接頂以泥巖、砂質泥巖和粉砂巖為主，平均厚度為8.19 m，基本頂為中粗砂巖和細砂巖，平均厚度為17.51 m。煤層上方為B4-1煤層（部分已采空），層間距為50 m。目前礦井開采的I010206 工作面煤層厚度9.5 m，其中機采高度3.2 m，采放比為1∶1.97，工作面平均傾角為14°。頂板上方2.84 m 存在13.59 m 的中粒砂巖和12.51 m 的細粒砂巖的組合層，組合層平均強度為115.25 MPa，抗拉強度為7.14～8.02 MPa，工作面煤巖柱狀圖如圖1（a）所示。I010206 工作面南側為井田邊界，受井田邊界影響，工作面傾斜長度在開采過程中會加長，如圖1（b）所示，工作面開采初期傾斜長度為85 m，開采后期傾斜長度增加至137.8 m，工作面長度增加后，雙厚組合堅硬頂板懸頂風險也隨之增加，因此，需要對工作面擴寬區域頂板進行弱化處理，降低來壓風險。

2 雙厚組合堅硬頂板定向長鉆水力壓裂方案

2.1 弱化頂板方法及原理

采用爆破法弱化頂板工程量大，審批復雜，同時爆破易產生有害氣體引發其他次生災害。常規水力壓裂鉆孔長度有限，可以對工作面兩端頂板進行弱化處理，但難以弱化中部堅硬頂板。因此，提出采用長鉆孔定向水力壓裂技術。

I010206 工作面采用中煤科工西安研究院（集團）有限公司自主研發的定向長鉆雙封單卡多點拖動頂板分段水力壓裂技術，具體原理及施工過程為：①利用組合定向鉆進技術在工作面頂板指定層位打超長鉆孔；②將壓裂工具送至孔底第一壓裂段位置，利用封隔器坐封后進行第一段壓裂；③壓裂后收回封隔器并通過孔口高壓管柱拖動壓裂工具向靠近孔口的一側移動，到達第二壓裂位置后再次進行壓裂；④不斷拖動、壓裂，直至完成整孔全部壓裂段的壓裂工作；⑤進行下一個鉆孔壓裂；⑥全部鉆孔的所有壓裂段壓裂完成后即可在堅硬頂板巖層形成三維立體裂縫，達到弱化頂板的目的。壓裂過程如圖2 所示。

圖2 長鉆孔定向水力壓裂Fig.2 Hydraulic fracturing for directional long drilling

2.2 定向長鉆水力壓裂方案

主要針對I010206 工作面加寬區域頂板進行壓裂弱化，鉆孔布置如圖3 所示。總計布置三個鉆孔，單孔長度481～517 m，單孔設計壓裂13～14 段，累計鉆探長度1 500 m，累計設計壓裂段數40 段。其中，1 號孔和3 號孔分別距離下順槽、上順槽15 m、10 m，2 號孔位于工作面中間，壓裂層位距煤層垂高15 m。壓裂施工順序為3 號孔、1 號孔、2 號孔。根據壓裂層位力學參數和工作面地質情況確定水力壓裂方案見表1。

表1 水力壓裂方案Table 1 Scheme of hydraulic fracturing

圖3 I010206 工作面定向壓裂鉆孔平面圖Fig.3 Directional fracturing drilling plan of I010206 working face

3 定向長鉆水力壓裂監測評價體系

3.1 水力壓裂裂縫發育特征綜合監測評價體系

通過巷道巡查寫實、壓力實時監測、瞬變電磁以及鉆孔窺視等技術手段從孔內、孔外、靜態及動態四個方面對水力壓裂裂縫發育情況及延展范圍進行綜合評價，如圖4 所示。

圖4 水力壓裂裂縫發育特征綜合監測評價體系Fig.4 Comprehensive monitoring and evaluation system for the development characteristics of hydraulic fracturing fractures

其中，壓力實時監測曲線可反映壓裂液與地層的相互作用及裂縫發育和延展情況，當加壓過程中注水壓力突然下降，說明巖層中形成新的裂縫并發生擴展。瞬變電磁的工作原理是利用發射機向地層中發射脈沖磁場，通過對接受信號處理分析得到巖層的視電阻率，當巖層不是處于含水層或受構造內水影響，其電阻率穩定變化，當頂板被壓裂后由于裂縫中存在壓裂水，所以監測結果會表現為低阻異常區（即壓裂擴展范圍）。鉆孔窺視即通過向頂板巖層內鉆孔，可最為直接地觀測頂板裂縫發育形態和特征。

3.2 水力壓裂裂縫監測結果

1）壓力實時監測。提取1 號孔一個壓裂段的壓力曲線，如圖5 所示。由圖5 可知，壓力曲線整體呈現為鋸齒波動形態，說明在壓裂過程中一直有微裂隙在鉆孔周圍發育并擴展，整個壓力曲線中有四段明顯下降的區域，說明產生宏觀大裂縫，隨著裂縫中水充滿后，曲線開始波動，說明在大裂縫周圍又不斷出現微裂縫并擴展。

圖5 1 號孔壓力曲線Fig.5 Pressure curve of No.1 hole

2）孔內瞬變電磁探測。為清楚直觀地觀測到壓裂后裂縫擴展發育情況，將壓裂前巖層的探測數據當作背景場，用壓裂后的探測數據減去壓裂前的探測數據，提取出瞬變電磁純異常場，如圖6 所示，其中深色區域表示低阻異常區，即壓裂擴展范圍，顏色越深電阻率越低，裂縫擴展越充分。由圖6 可知，壓裂后鉆孔徑向半徑20 m 范圍內裂紋擴展較為充分，其中壓裂段附近顏色較深，說明壓裂段附近大裂縫較為發育。

圖6 壓裂后瞬變電磁探測低阻異常區Fig.6 Low resistance anomalous zone of transient electromagnetic detection after fracturing

3）巷道瞬變電磁探測。在上順槽內巷道里程300～600 m 處每隔10 m 布置一根測線進行探測。三個鉆孔壓裂后瞬變探測結果如圖7 所示。由圖7（a）可知，3 號孔壓裂后鉆孔附近20 m 裂隙高度發育，20～40 m 范圍裂隙較為發育，鉆孔壓裂范圍已有一定影響到2 號鉆孔附近。由圖7（b）可知，1 號鉆孔壓裂后壓裂影響范圍接近30 m，且對工作面下部的影響程度高于工作面上部。兩鉆孔壓裂后在工作面中部還有明顯的高電阻區域，說明工作面中部未被壓裂影響。由圖7（c）可知，2 號鉆孔壓裂后，工作面電阻率整體較低，說明工作面頂板基本都被壓裂，3 個鉆孔的壓裂影響范圍覆蓋了整個治理區域。

4）鉆孔窺視。分別在I010206 工作面上順槽466 m、478 m、580 m、593 m、外開切巷距上口35 m處；下順槽640 m、605 m、555 m、540 m、525 m 處共布置15 個觀測孔，對壓裂后頂板裂隙發育情況進行觀測。鉆孔施工參數見表2，壓裂后鉆孔窺視結果如圖8所示。

表2 鉆孔施工參數Table 2 Construction parameters of drilling

圖8 壓裂后鉆孔窺視結果Fig.8 Borehole observation results after fracturing

由圖8 可知，在不同鉆孔及不同深度情況下，多數裂隙的主要形態以縱向裂隙為主，局部存在多條垂直裂隙同時發育，同時個別窺視鉆孔位于兩壓裂段中間位置，說明壓裂段之間裂隙基本可以貫通，綜合分析15 個鉆孔窺視結果可知，鉆孔內縱向裂隙、橫向裂隙交替發育，發育范圍貫穿中粒砂巖及細粒砂巖的雙厚堅硬組合層，可以破壞其完整性，鉆孔范圍內裂隙可以貫通形成三維裂隙網絡。

4 壓裂效果監測

4.1 雙厚組合堅硬頂板微震監測

通過分析壓裂前后雙厚組合堅硬頂板微震事件的能量和發生次數可一定程度上評價頂板出現來壓的現象，從而反映出水力壓裂超前弱化效果。對比分析壓裂段和未壓裂段微震能量、頻次、能量最大值、單次能量平均值、單米能量平均值等相關參數，壓裂段與未壓裂段微震事件統計見表3。由表3 可知，水力壓裂超前弱化頂板后，微震事件總體能量及次數分別降低89.4%和50.3%；其中零次方和一次方能量事件總能量降低65.0%，次數降低68.4%；二次方能量事件有所增加，總能量和次數分別增長32.1%和5.6%；三次方事件總能量和次數大幅下降，分別降低了82.8% 和81.1%。結果表明水力壓裂后大幅降低了大能量微震事件發生的概率，使其能量提前釋放，表現為“高頻低能”現象，大大降低了雙厚組合堅硬頂板能量集中突然釋放的可能。

表3 壓裂段與未壓裂段微震事件統計Table 3 Statistics of microseismic events in the fractured and unfractured sections

分別統計中粒砂巖和細粒砂巖發生微震事件的情況見表4。由表4 可知，通過水力壓裂治理，雙厚組合巖層微震事件發生的總次數和平均次數都顯著降低，總次數降低幅度超過60%，同時可以看出壓裂后中粒砂巖發生微震事件的次數占所有巖層發生微震事件總次數的比例有所上升，說明壓裂后中粒砂巖在工作面推進過程中沿著裂縫不斷斷裂，能量持續放出，避免了能量集聚現象。

表4 壓裂段與未壓裂段中粒砂巖和細粒砂巖微震事件統計Table 4 Statistics of microseismic events of medium and fine grained sandstone in the fractured and unfractured sections

4.2 工作面支架阻力監測

收集工作面支架阻力數據，繪制工作面進入壓裂區域前后支架阻力云圖如圖9 所示。由圖9 可知，工作面在未壓裂區域時，出現明顯的來壓顯現，尤其在700 m 附近，工作面中部來壓持續距離較長，來壓強度較高，基本都達到40 MPa 以上。當工作面進入壓裂區域后，工作面支架壓力分布較為均衡，無明顯的來壓界限，且來壓強度整體下降，來壓范圍和持續步距增加。說明水力壓裂可明顯改善工作面來壓情況，降低懸臂大面積斷裂產生的風險。

圖9 工作面進入壓裂區域前后支架阻力云圖Fig.9 Cloud map of support resistance before and after entering the fracturing area of the working face

5 結 論

1）根據新疆寬溝礦業公司雙厚組合堅硬頂板提出定向長鉆孔雙封單卡多點拖動頂板分段水力壓裂技術及工藝流程，明確治理工作面施工方案并從孔內、孔外、動態、靜態四角度對水力壓裂裂縫發育及擴展進行可視化評價。

2）鉆孔后壓裂段裂紋擴展形式為微裂紋-宏觀裂紋-微裂紋不斷擴展，工作面3 個長鉆孔壓裂后可對治理區域產生較好的壓裂效果，同時壓裂段之間裂隙基本可以貫通形成縱橫交錯的三維裂隙網絡。

3）壓裂后頂板微震總能量和總次數都明顯降低，同時大能量事件大幅減小，頂板積聚能量提前釋放，總體表現為“高頻低能”現象，同時壓裂后支架壓力分布較為均勻，無明顯來壓界限，顯著改善強來壓現象。