顶板定向长钻孔分段水力压裂防冲技术研究

吕玉磊，郑凯歌，白俊杰

(1.乌审旗蒙大矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116；3.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710000)

顶板事故在我国煤矿事故中占有很大比重，严重威胁矿井的安全生产[1-3]，上覆存在坚硬顶板的煤层开采期间更容易发生顶板事故。我国煤层的赋存条件复杂，上覆存在坚硬顶板的煤层约占总体的1/3，且分布在50%以上的矿区[4]。坚硬砂岩顶板普遍具有分层厚度大、强度高、整体性好、自稳能力强等特点[5]。实践表明，复合硬岩层对工作面矿压显现影响远大于单一硬岩层[6]，并且坚硬岩层通常是对临近岩层运动起控制作用的关键层顶板，但其难以随工作面回采而自然垮落，极易形成大面积的悬空顶板，引起冲击地压灾害的发生[7]。

众多学者对防治坚硬顶板型冲击地压做了许多工作：地面直井压裂坚硬岩层技术[8，9]可以降低坚硬岩层的完整性、减小坚硬岩层运动释放的弹性能，为坚硬顶板型工作面安全回采提供了保障。深孔爆破技术[10-12]可以有效切断顶板高水平应力向工作面传递路径，降低煤层应力集中程度，起到了良好的卸压效果。保护层开采工艺及负煤柱工艺[13-17]将巷道布置在顶板垮落形成的卸压区，使巷道围岩避免应力集中，同时减弱受动载扰动影响程度，可以有效防治冲击地压灾害的发生。上述冲击地压防治工艺卸压范围有限、造价高，或受煤层产状、地质条件影响，适用性范围小。而定向长钻孔水力压裂技术[18-21]在防治煤层瓦斯突出、瓦斯抽采、煤层增透方面取得了丰硕成果，但在冲击地压防治方面研究较少。

因此立足于冲击地压防治角度，对坚硬复合砂岩顶板的定向长钻孔分段水力压裂超前卸压进行研究，并在纳林河二号煤矿现场应用，对该项技术的具体参数及现场应用效果进行分析，结果证明该项技术在超前卸压和减弱矿压显现方面效果显著，同时该项研究也为同类复合坚硬顶板的冲击地压防治技术提供参考依据。

1 工程概况

纳林河二号煤矿位于乌审旗纳林河矿区的最南端，为典型的顶板型冲击地压矿井，煤层平均埋深560m，煤层顶板发育有“高-低”位复合坚硬砂岩，厚度分别为25.71m、28.56m，容易诱发冲击地压灾害[22]。低位坚硬岩层平均单轴抗压强度分别为62.14MPa，抗拉强度为6.15MPa；高位坚硬岩层细粒砂岩平均单轴抗压强度分别为75.38MPa，抗拉强度为9.72MPa。该复合岩层坚硬、完整性好，易形成大面积悬顶而不垮落。当采面推进至见方位置时，极易诱导采掘工作面发生冲击地压事故，甚至造成人员伤亡事故，严重影响到工作面的安全高效生产。

纳林河二号煤矿在31104工作面开展了“一次见方”区域的“高-低”位裸眼定向超长钻孔超前分段水力压裂区域主动改造防治，通过区域治理有效降低冲击危险性，减缓巷道变形，使覆岩更快趋于稳定，有效避免冲击灾害。

2 分段水力压裂方案

在“高-低”位复合顶板发育条件下，低位“悬臂梁”的直接破断释放能量作用于下层煤岩体，同时伴随着高位坚硬岩层的破断，乃至协同回转，易造成采动影响范围内煤岩体冲击动力灾害，如图1所示。煤岩体结构改造是优化采掘扰动下煤层坚硬顶板破断形式，防治冲击动力灾害的核心关键。

通过“高-低”位定向长钻孔分段水力压裂的实施，形成规模化人工裂缝，在关键岩块未发生破断前，破断岩块就与已垮落矸石形成有效接触形成砌体梁，对工作面顶板形成有效支撑。随着开采长度的逐渐增加，顶板稳定破断，降低来压步距和强度。高位坚硬砂岩的有效弱化，能降低坚硬岩层破断步距，在低位岩层垮落充填支撑作用下，有效减少破断回转幅度和能量释放，实现复合坚硬顶板冲击地压的协同有效治理，如图2所示。

依据施工设计，利用西安研究院自主研发的定向钻机进行定向钻孔施工，完成了31104工作面4个钻场共计6个钻孔的分段压裂施工，压裂过程中最高注水压力35.0MPa，最大破裂压降11.0MPa，具体情况见表1。

表1 分段压裂施工完成情况汇总

3 顶板水力压裂防冲效果分析

在国内率先提出了煤矿井下定向长钻孔裸眼分段水力压裂“高-低”位协同超前区域防治冲击地压灾害的技术模式，将定向长钻孔分段水力压裂技术应用于冲击地压灾害治理，实现了冲击地压灾害超前区域主动有效防治。通过时间、空间及强度三个不同维度定量评价水力压裂压裂效果，开发了立体综合“时-空-强”治理效果评价方法体系，多方法、多手段、高精度地揭示压裂裂缝空间展布规模和形态，有效评价了冲击地压灾害防治效果。

3.1 顶板定向长钻孔分段水力压裂防冲原理

顶板长钻孔分段水力压裂技术是在工作面开采前处理顶板，使其形成有利于控制矿压显现的结构。张俊文等[13]提出了结构调控防灾新理念，认为岩体结构改变是应力出现转移、集中的根源，冲击地压灾害防治应从调控煤岩体结构出发，以该理念为指导，通过定向长钻孔水力压裂顶板，使其形成规律性垮断的短悬臂梁结构，如图3所示。相对于长臂结构：一方面，断臂结构垮断时对生产空间的动载扰动更小；另一方面，短臂结构造成的应力转移、集中程度小。

3.2 水力压裂效果立体综合“时-空-强”监测

为了对31104工作面坚硬复合砂岩顶板的定向长钻孔分段水力压裂超前卸压治理技术试验效果治理进行综合立体评价，计划按照压裂效果综合评价及冲击地压防治效果两大板块进行监测工作，如图4所示。

3.3 压力流量曲线监测

在水力压裂过程中，压力曲线整体呈现明显的锯齿状波动，表明微裂隙不断在钻孔周围发育并拓展。压力在波动的过程中出现了突然降低现象，表明宏观裂隙已经形成，当水继续充满裂隙后，压力会继续增长并产生锯齿状波动，如图5所示。

3.4 音频电透视探测

音频电透视结果显示，压裂后低阻异常区形成H1和H2两个大型间隔条带型区域，倾向上H1低阻异常区为0～250m，倾向上H2低阻异常区为80～300m，走向宽度分别为0～100m和150～350m。低阻异常区剖面发育高度为顶板10～95m范围。

3.5 孔内瞬变电磁探测

3号钻场低位孔视电阻率分布特征如图6所示，未压裂区域与压裂区域视电阻率差异明显，表明长钻孔水力压裂在岩层中形成了有效裂隙。通过图中压裂段位置与视电阻率云图对比发现，各压裂段之间视电阻率也有明显降低，表明压裂过程产生的裂隙在岩层中形成了有效沟通。从钻孔垂向看，压裂区域视电阻率降低范围基本在钻孔垂向30m左右位置达到边界，由此可以判定压裂影响半径基本为垂直于钻孔方向30m左右。

3.6 微地震监测

将31104工作面回采150～750m过程中的微震事件收集后按照压裂范围划分为两部分区域进行对比，分别为150～450m，450～750m。当工作面回采0～450m范围内，平面微震事件最远出现在超前工作面前方412m处，侧向最大发育距离为99m，如图7所示；微震事件最大发育高度为工作面煤层顶板上方53m左右；31104工作面回采450～750m范围内，平面微震事件最远出现在超前工作面前方453m处，侧向最大发育距离为159m，如图8所示。与工作面压裂区域时的微震事件分布相比，超前工作面距离增加10%，侧向发育距离增加61%；微震事件最大发育高度为工作面煤层顶板上方97m左右。与工作面压裂区域的微震事件分布相比，最大发育高度增加87%。

综上所述，通过压裂区域与未压裂区域的各项微震指标分析对比发现，定向长钻孔分段水力压裂能够有效降低工作面回采过程中微震事件能量及频次，极大程度上降低了一次见方区域的能量释放强度，为工作面的产能释放提供了牢固的基础。

3.7 工作面支架阻力监测

31104工作面支架阻力如图9所示，根据图9可知，31104工作面周期来压步距由平均17.80m降至12.76m，降幅28.31%；工作面来压液压支架影响范围由142架降低至88架，降幅38.03%；来压前均值由32.022MPa降低至28.456MPa，降幅11.14%；来压峰值由54.162MPa降低至48.206MPa，降幅11.00%；来压均值由34.487MPa降低至30.144MPa，降幅12.59%。

与类似顶板状态且未采取措施的31120工作面相比(如图10所示)，平均周期来压步距由18.24m降低至12.76m，降幅30.04%，来压范围由147架降低88架，降幅40.14%；来压前均值由33.412MPa降低至28.456MPa，降幅14.83%；来压峰值由53.239MPa降低至48.206MPa，降幅9.50%；来压均值由33.681MPa降低至30.144MPa，降幅10.50%。

综上所述，在实施了坚硬顶板分段水力压裂弱化治理后，有效的降低了周期来压步距及强度。

3.8 煤体应力监测

通过数据分析可知，31104工作面压裂区域内煤体浅孔应力平均差值为1.72MPa，31103-2工作面相同区域煤体浅孔应力平均差值为4.94MPa，31120工作面相同区域煤体浅孔应力平均差值为4.30MPa。31104工作面应力平均差值较31103-2工作面降低了65.2%，较31120工作面降低了65.7%(如图11所示)。31104工作面压裂区域煤体深孔应力平均差值为1.80MPa，31103-2工作面相同区域煤体深孔应力平均差值为6.47MPa，31120工作面相同区域煤体深孔应力平均差值为5.92MPa。31104工作面深孔煤体应力平均差值较31103-2工作面降低了65.9%，较31120工作面降低了62.8%(如图12所示)。结果表明，在实施了坚硬顶板分段水力压裂弱化治理后，有效的降低了煤体内部应力波动幅度，降低了煤体冲击风险。

3.9 巷道围岩变形监测

巷高变形量如图13所示，根据图13可知，回风巷道在一次见方和二次见方处的巷道高度变化量分别为292mm，733mm，高度变化量增加了151%。巷宽变形量如图14所示，根据图14可知回风巷道在一次见方和二次见方处的巷道宽度变化量分别为479mm，644mm，高度变化量增加了34%。结果表明，定向长钻孔分段水力压裂能够有效减缓巷道变形，有利于维持巷道支护效果。

3.10 地表沉降监测

31104工作面水力压裂区域的地表下沉量最大值超过了2000mm，在回采进尺相似前提下，较31103-2工作面增加了172%，较31120工作面增加302%，如图15所示；31104工作面地表日最大下沉速率较31103-2工作面增加了329%，较31120工作面增加175%，如图16所示。综上，水力压裂有效破坏压裂范围内的岩层承载能力，使其能够充分垮落，令上覆岩层更快达到充分采动状态，降低上覆岩层悬顶达到极限跨距后突然失稳对工作面形成动载荷的风险。

4 结 论

1)针对纳林河二矿煤层复合坚硬顶板引发的冲击地压灾害问题，在鄂尔多斯矿区首次采用煤矿井下定向长钻孔分段压裂的方法开展超前区域弱化解危治理，首创提出了煤矿井下定向长钻孔“高—低”位协同裸眼分段水力压裂超前区域防治冲击地压灾害技术模式，工程实践证明防治效果显著。基于煤矿井下多点拖动式裸眼分段压裂成套装备，形成了煤矿井下复合坚硬顶板超长钻孔分段压裂区域弱化解危工艺技术。

2)压裂效果及影响范围探测结果表明：在压裂过程中能够在岩体内部形成宏观裂隙与微观裂隙沟通的立体缝网，工作面走向上明显低阻区域最大位切眼100～370m范围，沿工作面倾向上明显低阻区域最大为80～300m范围。剖面上横向10～95m范围。压裂影响半径基本为垂直于钻孔方向30m左右。

3)通过对冲击地压各项影响指标统计分析，结果表明：在实施了坚硬顶板分段水力压裂弱化治理后，上覆岩层能够充分垮落，使其更快达到充分采动状态，降低上覆岩层悬顶达到极限跨距后突然失稳对工作面形成动载荷的风险，极大程度上降低了采动影响区域能量释放强度、周期来压强度和煤体内部超前应力峰值，有效减缓巷道变形。