煤层巨厚砂岩顶板定向长钻孔水力压裂矿震防治技术研究

2021-12-15谢华东张静非王富刚闫宪洋侯俊华

中国矿业 2021年12期

谢华东，张静非，王富刚，闫宪洋，侯俊华，张俭

(1.兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东邹城 273512；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077)

随着我国煤矿开采深度与开采强度日益增大，煤岩动力灾害发生的强度和频度明显增加，矿震引发的冲击地压现象已成为当前煤矿安全的重大隐患之一[1-2]。

宋建潮等[3]认为由于开采活动的存在，才使静止的断层得以动态“活化”，产生强烈矿震。刘大勇等[4]提出了矿震发生的双岩模式，并指出矿震的产生需具备三个基本条件：存在脆性岩石、巷道壁面有足够大的变形、在一定的开采深度范围内。潘一山等[5]认为矿震是区域地壳运动变形的反映，并指出随着地壳的不断运动变形，先后达到应力阈值条件而失稳的分别为煤体压缩型、顶板断裂型和断层错动型，水力压裂作为防治矿震的一种重要手段得到了广泛应用。郭相斌[6]利用定向水力压裂方法对煤层卸压，从而防治矿井冲击地压。郭信山等[7]通过改进井下长钻孔控制压裂装备，试验井下煤层超高压定点水力压裂技术，实现掘进前对冲击危险煤层一次性卸压，填补国内外空白。杨俊哲等[8-9]研发了坚硬顶板分段水力压裂超前弱化治理技术，有效减弱了矿压显现强度，降低了矿震发生的频率，实现了坚硬顶板动力灾害的弱化解危，并在神东矿区得到了广泛应用。

东滩煤矿作为我国高产高效矿井，自2001年6月多次发生矿震事故，已经严重威胁了矿山的安全生产，同时影响了矿区附近居民的正常生活[10-11]。为了贯彻落实关于矿震防治工作的要求，提高煤矿安全高效生产效率，本文以东滩矿63上03工作面巷道及上覆岩层为施工区域，通过确定关键层位施工顶板定向长钻孔，并进行水力压裂施工，为东滩矿煤层巨厚砂岩顶板定向长钻孔分段水力压裂矿震防治提供技术支撑。

1 水力压裂治理矿震原理

矿震是在工作面上覆岩层运动过程中，各关键层控制着上部岩层运动，从而形成影响范围广、跨度大的覆岩大结构。随着工作面的不断推进，采空区上覆岩层逐渐垮落，水平离层裂隙不断向上发育并止于关键层。随着关键层悬空面积的不断增大，应力集中程度与积蓄的弹性能逐渐升高。当关键层所受到的拉应力大于抗拉强度时，便会发生破断失稳。关键层的破断运动必然会导致覆岩大结构的瞬时失稳而引发矿震。因此，井下水力压裂治理矿震时应将一层或多层关键层压断，随着工作面回采及时跨落，减少或降低悬空距离。同时，每层跨落的岩石膨胀叠加作用对上层未压裂的岩层起到支撑作用，从而减少或降低上层岩层的变形量，可进一步减少或降低矿震发生频率和能量。

2 水力压裂施工层位选定

东滩煤矿位于山东省邹城市境内，行政区划隶属邹城市中心店镇管辖，其井田位于兖州煤田东部。本次施工区域为63上03工作面巷道及上覆岩层，该工作面位于六采区中部，南邻63上04采空区，北邻63上02工作面(未采)。依据砌体梁理论，自下而上计算各岩层的载荷，通过岩性分析、关键层判断及现场实际综合比较，选定侏罗系三台组下段细砂岩为主关键层、二叠系山西组上段中砂岩为亚关键层1，本次工程施工的层位见表1[12-13]。

从关键层划分来看，侏罗系三台组下段细砂岩主关键层、二叠系山西组上段中砂岩亚关键层1和侏罗系三台组上段细砂岩亚关键层2都进行压裂施工是最有效的，结合六采区03工作面、04工作面、05工作面发生矿震情况，二叠系山西组上段、下石盒子组、侏罗系三台组下段和上段均有大的矿震发生，侏罗系三台组下段发生次数比例最高，因此主关键层是施工的重点。从钻探施工工艺分析，二叠系山西组上段中砂岩层距离3上煤层15～46 m，最适合井下钻探施工；侏罗系三台组下段细砂岩层距离3上煤层160～326 m，钻孔有效距离变短，钻孔利用率低；侏罗系三台组上段细砂岩层距离3上煤层500 m，钻探不能施工。

3 顶板定向长钻孔钻探施工

3.1 钻探设备及钻进工艺

本次施工选用中煤科工集团西安研究院有限公司研制生产的ZDY12000LD型煤矿用履带式全液压定向钻机。项目共实施4个顶板定向长钻孔，采用Ф120 mm定向钻头+Ф89 mm螺杆马达+Ф89 mm上无磁+Ф89 mm泥浆脉冲测量系统+Ф89 mm宽螺旋钻杆的钻具组合，实现了Φ120 mm孔径的定向钻进；采用Ф120 mm普通钻头+Ф120 mm扶正器+Ф89 mm宽螺旋钻杆的钻具组合，实现了扫孔作业。具体施工参数见表2，钻孔剖面轨迹如图1所示。

表1 复合关键层划分结果Table 1 Composite key layer partitioning results

表2 顶板定向长钻孔施工情况Table 2 Construction of roof directional long hole

3.2 钻探施工评述

施工层位为二叠系山西组上段和侏罗系三台组下段。其中，二叠系山西组上段中砂岩层距离3上煤层15～46 m，距离较短，适合井下钻探施工，从2#钻孔～4#钻孔的施工情况来看，施工过程中未发生卡钻、夹钻等事故，也未出现废孔；由3#钻孔和4#钻孔采集的岩屑样品可知，该层岩性变化较大，总体上东面岩性比较粗，向西岩性变细，东面主要是黄色粗砂岩、中砂岩，含有部分细砂，该层未钻探施工注意岩屑样品的采集，发现中-粗砂岩及时调整工具面，尽可能将钻孔施工在细-粉砂岩层内，对后期压裂效果更好。

侏罗系三台组下段细砂岩层距离3上煤层160～326 m，1#钻孔在这个层位施工，钻进给进压力较小，钻进速度快，出现1次卡钻事故，进行扫孔后，顺利通过，偶尔出现排渣不畅的情况。该层采集的样品暗红色泥质砂岩，较脆，遇水膨胀，出现缩颈现象导致卡钻。

4 顶板长钻孔水力压裂技术研究

4.1 水力压裂设备

本次采用中煤科工集团西安研究院有限公司的BYW65/400型(图2)压裂泵组。水力压裂成套设备由压力泵、水箱、高压管汇、远程操作系统组成，具有压力高、流量稳定、可远程操作、远程视频监控、设备运行稳定、运行时间长等特点，可保证施工过程中工作人员的安全。根据钻孔孔径和压裂工艺选择封隔器，总长为1 620 mm，最大外径为86 mm，通径为50 mm，工作压力达70 MPa[14-15]。

图1 顶板压裂孔实钻轨迹剖面图Fig.1 Section of solid drill track of roof compression hole

4.2 水力压裂参数设计

本次施工采用拖动式分段水力压裂方式，封隔器岩层顶板裸眼坐封，压裂液选用清水，根据经验公式计算得到地层破裂压力为18.10～27.26 MPa，设计每个钻孔中单段压裂液用量为50 m3，参数见表3。

4.3 水力压裂工艺设计

本次采用双封单卡后退式分段压裂工艺。其中，分段水力压裂快速封孔工艺是中国科工集团西安研究院有限公司自主研发的有效封孔工具，该套封孔工具能够满足裸眼长钻孔分段压裂施工要求，并能提出工具重复利用。工具组合为：Ф105 mm引鞋+Ф98 mm单流阀+Ф105 mm封隔器+Ф98 mm节流器+Ф105 mm封隔器+Ф98 mm安全丢手+Ф73 mm油管。压裂工艺设计如图2所示。

表3 压裂施工参数设计Table 3 Design of fracturing construction parameters

图2 分段水力压裂工艺示意图Fig.2 Schematic diagram of hydraulic fracturingprocess in stages

4.4 钻孔水力压裂施工

本项目共完成4个钻孔的压裂工作，累计压裂25段，施工压力为17～32 MPa，可见明显破裂点，累计注水量1 286 m3，其中1#钻孔压裂3段，2#钻孔压裂1段，3#钻孔压裂14段，4#钻孔压裂7段。各钻孔水力压裂施工情况见表4。

5 定向长钻孔水力压裂效果分析

5.1 压裂曲线分析

2019年5月18日，中班压裂施工1#钻孔第一段，压裂位置于孔深770～780 m，压裂时间为73 min，泵注压力为20～28 MPa，破裂压力为24.2 MPa，施工排量为35～59 m3/h，累计注水量为51 m3，出现明显压降2次，最大压降为10.4 MPa。压裂监测曲线见图3。

3#钻孔第六段压裂位置395～405 m，岩性为灰黑色粉细砂岩，卡距6.5 m。2019年7月22日1点27分开始至2点03分结束，累计压裂时间36 min，泵注压力为5.3～24.8 MPa，破裂压力为23 MPa，施工排量为60～69 m3/h，累计注水为44 m3。出现2次压力降，压力降压力较小为3.3 MPa。压裂监测曲线见图4。

表4 顶板长钻孔压裂施工情况Table 4 Fracturing of roof with long borehole

图3 1#钻孔第一段压裂施工曲线图Fig.3 Fracturing operation curve of the first stageof No.1 drill hole

图4 3#钻孔第六段压裂施工曲线图Fig.4 Fracturing operation curve of the sixth stageof No.3 drill hole

压裂施工要取得效果，必须能够压开岩层，压裂施工曲线分析是判断岩层是否压开的重要指标。从钻孔压裂施工曲线可知，压裂过程基本都出现了明显的破裂压力(图3和图4)和裂缝的延伸。由图3和图4可知，破裂点很明显，大部分出现2次以上的明显破裂点，产生了不同级别的裂缝或缝网。说明本次井下水力压裂施工工艺完全可以压开目标岩层，并产生一定规模的裂缝[16]。

综上所述，从压裂工程施工情况分析，本次井下拖动式分段水力压裂工艺技术，能够使目标岩层破裂，并能够形成一定规模的裂缝，能够满足煤矿井下治理矿震的要求。

5.2 水力压裂效果分析

1) 工作面微震监测分析。压裂前03工作面共发生微震事件841次，压裂后发生微震事件1 479次，压裂施工促使工作面微震事件大幅增加，说明水力压裂工程的实施破坏了关键砂岩层的完整性，改变了砂岩层的物理力学性质，岩层支撑能力变弱。随工作面的回采，关键层不能支撑上覆岩层的载荷，加速了岩层的破裂，进而提高了微震事件发生的频次[17]。

研究区域累计发生震级为1～2级的微震事件130次，其中，压裂前发生118次，压裂后发生12次，其中有2次发生位置在压裂范围之外，实际压裂区发生10次，压裂后下降了11.8倍；研究区域累计发生震级大于2级微震事件9次，其中，压裂前发生8次，压裂后发生1次，压裂后下降了8倍。说明水力压裂工程施工大幅度降低了震级大于2级和1～2级微震事件的发生频次，起到了治理矿震的效果。

2) 工作面支架阻力分析。63上03工作面回采过程中对走向压裂前后支架循环末阻力数据和工作面倾向压裂前后支架循环末阻力数据进行了分析。其中1#支架、2#支架、3#支架对应压裂钻孔的3#钻孔和4#钻孔，以此为例进行分析，工作面支架位置见图5，具体参数见表5，由表5可知，走向方向1#支架、2#支架、3#支架压裂前支架循环末阻力平均值为31.8 MPa，压裂后支架循环末阻力平均值为30.6 MPa，降低了1.2 MPa，变化不大；压裂前周期来压步距平均为23.1 m，压裂后周期来压步距平均为15.8 m，降低了7.3 m。