煤矿坚硬顶板分段水力压裂防冲效果监测与评价

钟坤，陈卫忠，赵武胜，秦长坤，曹怀轩，谢华东

(1. 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉，430071；2. 中国科学院大学，北京，100049；3. 兖矿能源集团股份有限公司，山东 邹城，273500)

高位巨厚坚硬岩层是一种特殊的岩层赋存形式，在我国多个矿区均有分布[1]，如淮北、兖州和大同煤田等[2]。煤层上方坚硬顶板是影响冲击地压发生的重要因素之一。一方面，由于巨厚岩层传递应力、构造应力和煤层的耦合作用增加了煤岩体静载荷的集聚，为冲击地压的发生提供了力源条件[3-4]；另一方面，随着工作面不断推进，采空区形成大面积悬顶，坚硬顶板一旦滑移、垮塌或者受爆破重复采动影响，激发的地震波将以动载形式传播，为冲击地压的发生提供了动载条件[5-6]。谭云亮等[7]指出坚硬顶板冲击地压防治的第一要务是控制厚层坚硬顶板断裂；潘俊锋等[8]提出动静载分源防控技术，采取“钻孔-水射流切缝-高压水压裂”一体化多缝同时切割技术，深度弱化顶板，消除动载源；齐庆新等[9-10]提出深孔爆破断顶技术和“横切纵断”卸荷消能一体化防控技术用于坚硬顶板治理。张明等[11]根据关键工作面评估指标，提出了巨厚岩层关键工作面“防冲-减震”的开采优化设计方法。

水力压裂技术可用于治理坚硬顶板悬顶问题。HUANG等[12-13]针对采煤工作面端头悬顶、切眼坚硬顶板以及中部悬顶等不同工况和不同类型工程特点，进行小孔径(直径为32 mm)致裂钻孔施工，使用高压泵对顶板进行高压水压致裂，单孔的裂缝延伸范围大于8 m，最大裂缝延伸范围为10～17 m；HE 等[14]提出多层位水平定向割缝压裂技术，在钻孔中切出初始沟槽，然后注入高压液体以破碎岩石，发现深度可达20 m，致裂半径超过13 m；冯彦军等[15]利用KZ54型切槽钻头在压裂孔坚硬顶板预制横向切槽，并使用跨式膨胀型封隔器在同一钻孔进行逐次压裂，裂缝扩展半径可达20 m。水力压裂效果的监测及评价仍是难点，因此，学者们对坚硬顶板水力压裂效果展开了研究。康红普等[16]利用空心包体应力计，通过观察压裂前后钻孔附近煤层和工作面前方煤层应力变化评价压裂效果；于斌等[17]通过水力压裂前后工作面矿压及顶板下沉量等监测数据评价压裂效果；闫江平等[18]通过微震监测圈定水力压裂破坏范围及判定压裂效果；赵善坤等[19]采用钻孔窥视、煤层应力监测、微震监测等手段对比分析了压裂前后的防冲效果。

本文作者选取具有巨厚砂岩坚硬顶板的东滩煤矿6303 工作面为研究对象，采用定向长钻孔分段水力压裂技术对坚硬顶板进行治理，并对工作面开采过程中的采动应力及微震事件进行实时监测，通过分析压裂前后顶板三维应力及微震能量演化规律，对长钻孔分段水力压裂技术的防治效果进行评价。

1 岩层特征

1.1 地质赋存特征

兖州煤业股份有限公司东滩煤矿六采区煤层及顶底板情况见图1。六采区工作面顶板150 m 范围内主要关键层有3层：1)距离煤层顶板15～65 m的下石盒子组砂岩层，厚度为50 m；2)距离煤层顶板102～113 m的下侏罗统下段下亚段砂岩层，厚度为11 m；3) 距离煤层顶板136～153 m 的下侏罗统下段上亚段砂岩层，厚度为17 m。东滩矿六采区回采期间采空区冒落高度约30 m，达到了第一层砂岩层的高度。

图1 钻孔直方图Fig.1 Drilling histogram

为研究坚硬顶板岩层基本力学强度特征，从顶板钻取关键层岩样，将其制成标准试样开展单轴试验，岩样单轴抗压强度为45.29～80.57 MPa，抗拉强度2.02～2.50 MPa，在10～20 MPa 法向应力作用下所承受的最大抗剪强度为3.70～7.73 MPa。由实验结果可知，该顶板关键层的岩性为坚硬岩石，抗压及抗拉强度大，抵抗弯曲、断裂的能力强，在采煤过程中不能及时破断从而易集聚大量能量。

1.2 微震事件概况

六采区各工作面开采顺序依次是6304 工作面→6305 工作面→6303 工作面。6303 工作面北侧的顺槽作为运顺，长1 147 m，南侧的顺槽作为轨顺，长1 167 m，两顺槽间距为245 m，南面与已形成采空区的6304 和6305 工作面相邻，如图2 所示。6304 和6305 工作面在整个开采过程中发生的1.5级以上微震事件分别累计131次和158次，其位置分布如图3所示。通过对大能量微震事件发生的垂直位置进行统计，监测的1.5级以上微震事件发生层位均在工作面后方采空区内的-560～-440 m之内，即震源在3煤层上方90～180 m，该层位正好覆盖顶板上方3个主要关键层，可见引起微震发生的主要原因是关键岩层的突然破断和能量释放。

图2 六采区平面简图Fig.2 Plane sketch of No.6 mining area

图3 1.5级以上微震事件平面位置分布Fig.3 Plane locations of microseismic events with magnitudes larger than 1.5

2 顶板分段水力压裂及监测方案

2.1 定向长钻孔分段水力压裂机理

水力压裂通过对岩体的结构进行改造及物理化学作用，弱化岩体的力学性能，降低顶板岩石的整体强度[13]。长钻孔分段水力压裂技术可在同一钻孔中形成多个压裂段，促使岩层形成新的压裂主裂缝，裂缝在大量压裂液注入的情况下不断向外延伸，在岩层节理或裂缝位置不断扩展，衍生多级次生裂缝，进而形成裂缝网络系统。分段水力压裂控制原理如图4所示。采用定向长钻孔施工技术，使钻孔到达工作面上方的目标层位，将压裂成套装备组合推送至孔底压裂段位置，完成第一段压裂施工后，将压裂设备定向拖动至第二段压裂施工处开展该压裂段施工，依此类推，逐步实现分段水力压裂施工，形成一套以高压压裂裂缝为主、多级裂缝延伸的压裂弱化缝网体系。

图4 分段水力压裂控制原理Fig.4 Control principle of staged hydraulic fracturing

在压裂过程中，坚硬顶板受到高压压裂液的作用，经历“起裂—裂缝延伸—循环起裂”过程[20]，该过程伴随应力释放、能量耗散，是单一不可逆过程。通过压裂缝释放应力和耗散能量以降低应力和能量集中程度，同时，顶板集聚的能量因随采随冒而得以及时释放，使动静载叠加应力一直保持在小于冲击阈值的水平。

2.2 钻孔布置和水力压裂参数设置

水力压裂层位的选择需要考虑采空区冒落高度，并使得垮落带直接顶和基本顶分层碎胀后能填满采空区空间[12,19]。另外，对于定向长钻孔分段水力压裂方式，主要考虑破断释放能量最大、矿压作用最强烈的关键层。由1.1节可知回采期间采空区冒落高度位于第1关键层，并且考虑到关键层对岩层运动以及破断的控制作用，钻孔主要布置在该层位。本次现场实验共施工4个钻孔，向实体煤上方顶板钻进，其中1号钻孔布置在离煤层大约170 m 的高位关键层中，其他3 个钻孔布置在距煤层30～40 m的第1砂岩关键层。采用的钻孔设备及压裂装置由中煤科工集团西安研究院有限公司自主研发，具体施工工艺及设备见文献[20]。为提高压裂效果，增大压裂区域，以不断变化的角度钻进，4 个钻孔的钻进轨迹剖面图如图5 所示，钻孔及分段压裂点水平分布如图6所示。1号钻孔施工长度为792 m，共完成3段压裂；2号钻孔长度为602 m。在压裂过程中，由于孔内塌孔，只完成1 段压裂；3号钻孔钻进总深度为596 m，共完成14 个压裂段；4 号钻孔总深度519 m，第1 次压裂在465 m 处进行，总共完成10段压裂。

图5 钻孔轨迹剖面图Fig.5 Drilling-hole trajectory profile

图6 钻孔分段压裂点及监测断面分布Fig.6 Layout of staged fracturing points of drilling-holes and monitoring sections

2.3 实时监测方案

鉴于坚硬顶板矿井动静载受力特征及应力监测、微震监测存在相应的“盲区”[21]，为提高冲击地压监测的准确性和可靠度及对防冲措施进行科学评价，采用顶板岩层三维应力和微震监测技术分别对顶板岩层三维应力和微震事件进行实时监测。三维应力监测系统示意图如图7所示，主要由井下部分的光纤光栅三维应力传感器、光纤解调仪及井上部分的数据采集及后处理软件组成。传感器结构组成及监测系统、应力监测方法见文献[22-23]。在6303 工作面轨顺上方顶板布置8 个监测断面，相邻监测断面间距90 m，第1个监测断面位于轨顺420 m 位置处，第2 个断面位于轨顺510 m 位置处，监测断面3～8 依此类推。钻孔深度为15～20 m，开孔高度为3 m，倾角为35°，钻孔穿过伪顶，深入煤层上方顶板。采用SOS 微震系统对6303工作面回采期间的微震事件情况进行监测。监测系统包括井上设备和井下设备两部分，井下部分由多个集拾震、磁电信号转换、信号放大增益及发射等功能为一体的检波测量探头组成，获取采区内微震信号，通过电缆将其传输到信号采集站；井上部分的微震信号采集站向检波测量探头供电并采集获得微震信号，信号记录仪将微震信号转换成数字信号，再通过处理软件完成三维空间定位、震级及震动能量计算。该工作面周围共布置由4 个微震探头(四采扩大区轨道巷和6304 轨顺联各布置1个，南翼总回风巷布置2个)，以满足6303工作面回采监测需要。监测断面布置见图6。

图7 动静载监测系统示意图Fig.7 Diagram of dynamic and static loads monitoring system

3 监测结果与致裂效果评价

3.1 压裂过程中典型压力及流量曲线

水力压裂过程中各压裂段典型的压力及流量变化曲线如图8所示。井下水力压裂监测仪获得的实时监测数据显示，不同压裂段的初始破裂压力不同，最小初始破裂压力约为18 MPa，最大初始破裂压力超过25 MPa。在一些压裂段，有多个明显破裂过程，在裂缝扩展过程中，压力发生剧烈变化，1 号钻孔的压裂段1 和3 的压裂效果良好，压裂期间每段出现明显压降2次，典型的压裂曲线见图8(a)；3号钻孔的4～6段压裂段以及4号钻孔的第1 和2 段压裂段也均出现2 次压降，典型的压裂曲线分别见图8(b)和图8(c)；其余钻孔压裂段由于受岩层条件及流量限制，仅出现1次压降或未出现明显压降，破裂情况以微破裂为主，压力降低幅值不超过10 MPa，典型的压裂曲线见图8(d)。压裂开始后，各压裂段泵压逐渐升高，压裂期间出现压降，随后压力恢复，停止泵注后，水压迅速降至0 MPa。每段注水量均超过50 m3。

图8 压裂过程泵注压力及泵注流量曲线Fig.8 Curves of pumping pressure and flow rate in fracturing process

3.2 基于压裂前后采动应力变化的压裂效果分析

采场围岩应力演化规律与顶板运动及覆岩结构特征存在一定关系。由于上覆坚硬岩层悬顶，采场围岩超前应力影响范围大，支承压力高，应力集中系数大；另外，较大面积的悬顶随工作面推进而突然冒落，大量弹性能释放形成矿震从而导致煤岩体中的应力增大[24]，动静载叠加应力一旦超过煤岩体冲击破坏的临界应力，将会诱发动力灾害。顶板悬顶长度越大，集聚的能量也越多，应力集中范围也越大。应力演化规律实际上反映的是顶板岩层结构特征，如果水力压裂后应力集中程度减弱尤其是支承压力下降，那么储存的弹性应变能降低，说明岩层破碎效果良好，能量及时释放，悬顶问题得到解决。因此，可以根据压裂前后应力场的演化规律来对压裂效果进行评价。

3.2.1 水力压裂前三维采动应力演化特征

以开采方向即顺槽走向为x方向，顺槽倾向为y方向，竖向为z方向，建立采区局部坐标系，如图6所示。在定向长钻孔分段水力压裂之前，煤层上方顶板岩层三维应力变化仅受采动影响。应力监测断面Ⅰ至Ⅳ仅受采场扰动影响，下面以其中2个监测断面为例进行说明。图9(a)所示为工作面推进过程中监测断面Ⅱ的应力变化曲线，其中σx，σy和σz分别为x，y和z方向的正应力。当工作面推进至离监测断面约80 m 时应力开始增大，竖向应力σz迅速上升并超过水平应力σx和σy；当工作面距离监测断面约50 m 时，顶板岩层的竖向应力增速变快，表明此时采动的影响加剧，并在离监测断面20 m达到应力峰值。在采动影响下，z方向应力从26.0 MPa上升到57.0 MPa，竖向方向的应力集中系数为2.2。2个水平方向的应力增幅明显比竖直方向的小，x方向应力从18.0 MPa增大到25.0 MPa，y方向应力从34.5 MPa增大到41.0 MPa。

在采动影响下，前方上覆岩层的压力逐渐转移至顶板岩层上，顶板岩层3个方向正应力均不断增加，且垂直方向正应力增加明显比2个水平方向的大。当工作面推进至距离监测断面约45 m时，z方向正应力超过x和y方向正应力，说明竖直方向正应力开始占据主导地位。

图9(b)所示为工作面推进过程中监测断面Ⅲ的应力变化曲线，该监测断面的应力演化规律和监测断面Ⅱ的非常类似，3 个方向正应力中以竖向应力增加为主。从水力压裂前的应力变化曲线可知，开采扰动对顶板岩层的竖向应力影响最大，随着工作面不断推进，顶板岩层受到扰动，应力重新分布，并传递至煤层，对顶煤和工作面产生间接影响，形成高静载集中区，为诱发冲击地压提供了力源条件。

图9 水力压裂前顶板三向正应力变化曲线Fig.9 Variation curves of three normal stresses in roof before hydraulic fracturing

3.2.2 水力压裂后三维采动应力演化特征

三维采动应力监测断面Ⅴ至Ⅶ同时受水力压裂和开采扰动的影响，现以Ⅴ和Ⅶ这2个监测断面为例进行说明。图10(a)所示为工作面推进过程中监测断面Ⅴ的应力变化曲线。由图10(a)可知：3个方向正应力随工作面推进过程基本保持平衡；当工作面推进至距离该监测断面80～90 m时，竖向应力存在一个突然上升的阶段，此时，前3段压裂均已经完成，正在进行第4段压裂，压裂过程中监测点上方顶板岩层出现错断现象，顶板来压导致竖向应力上升。工作面整个推进过程采动应力没有显著增大，采煤过程顶板随采随冒，顶板来压现象不明显，压裂降低应力集中的效果显著。

图10(b)所示为受水力压裂影响的监测断面Ⅶ的采动应力演化规律。从图10(b)可知：在水力压裂后采动影响下，x方向水平应力和竖向应力缓慢增加，y方向水平应力基本保持不变，x方向应力从18.3 MPa 增加到24.2 MPa，z方向应力从22.8 MPa增加到25.0 MPa，3个方向正应力的最大应力集中系数为1.32。当采用传统的水力压裂方式时，采动影响下，应力集中系数由2.53 下降到1.94[23]；本文采用长钻孔定向分段水力压裂法，采动影响下应力集中系数由2.2下降到1.3，下降幅度更大，且压裂影响范围更广，说明定向长钻孔分段水力压裂技术具有更好的致裂效果。

对比图10(a)和图10(b)的应力演化曲线可知，水力压裂后，监测断面Ⅴ的应力降低幅度比监测断面Ⅶ的应力降低幅度更显著，结合图6 所示压裂段位置可知，3号孔第4压裂段、4号孔第1压裂段以及2号孔第1压裂段的连线基本垂直于工作面走向方向且距离该监测点较近，说明压裂段空间布置关系和地应力的方向对坚硬顶板的破裂有很大影响。

图10 水力压裂后顶板三向正应力变化曲线Fig.10 Variation curves of three normal stresses in roof after hydraulic fracturing

根据水力压裂前后采动影响下顶板岩层应力的演化规律可知，压裂后各监测断面采动应力集中程度大幅度降低，顶板来压减弱；压裂之后各监测断面采动应力的变化规律不完全一致，说明压裂效果与该部位的应力状态密切相关。

在采动叠加影响下，煤和岩体积累了大量的弹性能，开采扰动下煤岩体应力重新调整，应变能密度不断变化。应变能密度v是反映煤岩体稳定性的重要参数，可以表示为

式中：E为顶板岩石的弹性模量，根据室内试验结果取为15 GPa；μ为岩石的泊松比，根据室内试验结果取值0.27；σ1，σ2和σ3分别为作用在岩石上的第一、第二和第三主应力。

顶板岩石弹性应变能密度变化曲线如图11 所示。由图11 可见：能量密度演化曲线与竖向应力演化曲线类似，水力压裂前监测断面应变能密度曲线发生显著变化，监测断面Ⅱ的应变能密度从83 kJ/m3上升到峰值约260 kJ/m3，监测断面Ⅲ的弹性应变能密度由70 kJ/m3上升到峰值约220 kJ/m3。水力压裂之后，监测断面Ⅴ和监测断面Ⅶ的应变能密度随工作面推进略有变化。

图11 顶板岩石弹性应变能密度变化曲线Fig.11 Change curves of strain energy density in roof

综上所述，无论是从顶板岩层三维应力状态的演化规律还是从应变能密度角度分析，水力压裂后各监测断面应力集中程度大幅度降低，弹性应变能不再受采动影响而迅速集聚。通过长钻孔分段水力压裂的方法，有效地切割了顶板岩层，破坏其整体性。随着工作面推进，采空区范围扩大，顶板逐渐垮落，避免了悬顶，可有效缓解局部应力集中和能量积累。

3.2.3 压裂影响范围监测

统计钻孔压裂段完成时工作面推进距离以及各个压裂段和三维应力监测点的最近距离，结果如图12 所示，其中压裂点与监测点连线距离为它们之间的空间间距。由图12可知：2号钻孔压裂段1 与应力监测点5 距离最近，距离为59.5 m，结合3.2.2 节分析可知该监测点也是应力降低效果最好的位置，初步判别压裂影响范围超过59.5 m。与传统的短钻小孔径压裂方式相比[12-15,18,25]，定向长钻孔分段水力压裂法覆盖范围大，压裂范围广，效果更显著。

图12 压裂段与应力监测点距离Fig.12 Distance between fracturing section and stress monitoring point

3.3 基于压裂前后微震监测变化的压裂效果分析

据现场统计分析，6303 工作面微震事件绝大多数发生在开采工作面后方300 m 范围内的采空区，竖直方向距离3上煤层(见图5)顶板20～200 m，各个关键层均有分布。故可以通过分析工作面推进甚至推过后，长钻孔分段水力压裂施工前后水力致裂区域微震日能量总和、日微震频次和震级等参数变化情况，对该区域水力压裂效果进行评价。

3.3.1 水力压裂前微震分布特征

东滩煤矿6303 工作面从2018-11-20 开始回采，开采前期工作面未实施水力压裂措施时微震事件日能量总和Ed、日震动频次fa及最大震级Smax随时间的变化如图13所示。从图13可见：开采初期微震事件数较少，微震频次及能量较低，从12月11 日开始，微震事件日频次逐渐增多，这是因为刚开采初次来压之前，顶板较稳定，而初次来压之后顶板岩层出现顶板裂缝扩张现象，垮落断裂导致微震事件迅速增多；在2018-11-20 至2018-12-31这一段时间内没有出现超过2.0级的微震事件，也没有出现冲击地压显现的情况。该段时间属于初采期间，回采速度慢，没有形成较大采空区，顶板较稳定。随着工作面的推进，悬顶问题开始显现，2.0 级以上微震事件时有发生且呈周期性变化，根据统计结果可知这些大能量微震事件的震源位置几乎都位于采空区。在大能量微震出现之前，每日微震发生频次和能量总和呈稳定波动状态或缓慢增大状态，预示着能量有一个不断集聚的过程，直至能量突然释放，大能量微震事件显现，这也是“悬顶出现→悬顶面积不断扩大→悬顶断裂能量释放”周期性发生的过程。

图13 顶板压裂前微震事件统计结果Fig.13 Statistics of microseismic events for roof rock before fracturing

3.3.2 水力压裂后微震分布特征

1 号钻孔于2019-05-18 至2019-05-24 进行了第3 段压裂段施工，此时工作面推进至443.2 m，第3 段压裂段在轨顺上的投影位置范围为540～630 m。选取震源位置位于该压裂段及附近的微震事件进行统计分析，统计的微震事件集中发生在2019-07-21 至2019-08-30，微震事件日能量总和、日震动频次及最大震级变化曲线如图14所示。由图14(a)可知：与压裂前矿震事件相比，压裂后能量释放缓和且均匀，没有超过2.0级的微震事件发生，工作面每推进1 m 平均释放能量为4～8 kJ，微震监测到的日平均能量由压裂前的100 kJ/d下降到压裂后的10 kJ/d左右，下降了1个数量级。

2019-09-02，4个钻孔的所有压裂段均施工完毕，特选取所有压裂段完成后的微震事件进行分析，典型的微震特征曲线变化如图14(b)所示。由图14(b)可知：2019-11-21至2019-12-31期间，虽然能量总体保持平稳，但偶尔有1.5级的微震事件发生，致裂效果较弱。结合钻孔压裂位置以及压裂时间、震源位置等信息，发现致裂效果受压裂层位、压裂段施工降压次数等因素影响，1号钻孔压裂段位于高层位，对该层位以下的煤岩层起到整体控制作用。另外，该钻孔第1和3压裂段均有2 次明显压降(见图8)，岩层破裂效果明显，因此，该时间段区域范围致裂效果显著，如图14(a)所示。而在图14(b)中所示时间段内震源位置接近停采线，该区域只受到3号钻孔和4号钻孔中接近停采线位置的压裂段影响，且这几个压裂段均只有1次压降(见图8)，破裂以微破裂为主，因此，致裂效果减弱。

图14 顶板压裂后微震事件统计结果Fig.14 Statistics of microseismic events for roof rock after fracturing

由压裂前后微震事件分布规律变化可知，压裂前微震频次低但能量很高，且高能量微震事件呈周期性出现趋势。这是因为压裂前顶板较为完整，悬顶突然破断对应大能量微震事件，微破裂事件少，导致微震事件发生频率低。顶板压裂后由于形成裂隙网络，其完整性大幅下降，采动过程中破裂事件增多而单次释放的能量大幅度降低。压裂避免了大能量微震事件的发生，顶板集聚的能量及时得到释放，为冲击地压的防治起到了降低动载扰动的作用。

4 结论

1)水力压裂效果受压裂层位、三维应力状态、各压裂段空间位置关系以及压裂施工过程降压次数等因素的影响。

2)水力压裂后顶板岩层三维应力演化规律发生改变，随工作面推进，各应力监测断面垂直应力增大趋势大幅度下降，超前支承压力影响范围减小，顶板岩层应力集中系数显著降低，弹性应变能集聚程度大幅下降，最大主应力方向改变，由压裂前的竖直方向变为水平方向。微震能量释放趋于均匀化，日平均释放能量下降约1 个数量级，平均空间能量释放率为4～8 kJ/m，压裂前后由低频高能状态向高频低能状态转变。

3)顶板岩层三维应力和微震联合监测方法可用于致裂效果评价。分段水力压裂技术与传统的短钻小孔径压裂方式相比，具有点连成线、线连成面的区域叠加效应，应力降低效果更明显，覆盖范围更大，压裂范围更广，区域致裂效果更显著。