井下定向长钻孔水力压裂顶板冲击地压防治研究

王 冰，王东杰

(陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西 咸阳 713600)

0 引言

随着开采深度的增加，冲击地压矿井数量呈逐年增加趋势，甚至在很多浅埋深的矿井也出现了不同情况的冲击显现[1 -3]。而在影响冲击地压的地质影响因素中，坚硬顶板往往占据主要地位。目前对坚硬顶板的处理方法主要为顶板深孔爆破，但是顶板深孔爆破工艺存在安全风险大、操作难度高、易诱发次生灾害等不足[4 -7]。而水力压裂可削弱岩层的整体性和稳定性，并定向切割顶板岩层，通过人为的方法削弱煤岩体承载的高应力，使巷道或工作面处于低应力区域[5 -8]。水力压裂技术具有安全性高、工程量小、成本低及适应性强等特点，已经在彬长矿区、神东矿区、神南矿区的柠条塔煤矿、红柳林煤矿推广应用，并取得了良好的技术与经济效益[9 -14]。

1 矿井背景

陕西彬长矿区孟村煤矿的中央大巷受X1向斜(延展1 455 m)、DF29断层(H>30 m)和B2背斜(延展2 980 m)等地质构造影响，局部巷道应力集中程度较高，自2018年以来该区域曾发生过7次不同程度的冲击地压，尤其2020年5月24日在中央二号辅运大巷发生冲击地压事故(监测能量2.37×105J)，造成6人受伤，直接经济损失100万元，亟需从源头上解决该区域的冲击地压问题。该矿主采4号煤层，埋深约为700～900 m，埋深已远超过当地煤田冲击地压临界深度，且该煤层经鉴定为具有强冲击倾向性。5条中央大巷均布置在4号煤层中，各大巷间距35 m。中央大巷附近布置有401101工作面，401101运顺距离中央二号回风大巷200 m，具体布置如图1所示。为能够快速、大范围弱化构造区附近的坚硬顶板岩层，释放顶板坚硬岩层集聚的弹性能，削弱周边采空区活动对中央大巷的影响，该矿采用了井下定向长钻孔水力压裂技术对巷道上方的坚硬岩层实施弱化改性。

图1 矿井中央大巷平面布置Fig.1 Plan layout of central main roadway of coal mine

2 定向长钻孔水力压裂顶板方案

2.1 压裂层位及钻孔布置

根据中央大巷构造区所处地质构造情况、巷道布置参数及微震事件震源位置，本次大巷压裂层位确定布置在距巷道顶板45 m高度的粗粒砂岩层内。设计在中央胶带运输大巷596 m里程附近施工专用钻场、压裂区，卸压方案设计布置5个钻孔，其中孔1、孔2、孔3、孔4分别位于大巷区段煤柱上方，孔间距约40 m，孔5位于大巷保护煤柱上方，与孔4间距约70 m。钻孔布置如图2所示，钻孔设计参数见表1。

2.2 压裂施工流程

设计采用大流量压裂泵进行后退式分段水力压裂，分段距离15 m左右，分段压裂时间不小于30 min，选择清水作为压裂液。定向钻孔裸眼分段压裂采用双向锚定扩张式裸眼封隔器、投球式安全接手、压差式开启滑套以及坐封球座等工具下入孔内，使用裸眼封隔器封隔顶板段，实现压裂作业孔段横向分段隔离，可以实现全孔段完全压裂作业。钻孔内压裂工具组合如图3所示。

图2 深孔水力压裂1#～5#孔平面布置及剖面示意Fig.2 Plane layout and profile of No.1～No.5 hole of deep hole hydraulic fracturing

表1 定向钻孔设计参数

压裂施工设备包括：双履带式全液压定向钻机(ZYWL-6000DS)3700 mm×1 450 mm×2 100 mm(长×宽×高)；电机功率75 kW，电压等级660/1 140 V；履带泥浆泵车2 140 mm×1 150 mm×1 450 mm(长×宽×高)；螺杆马达2根(cctegxian-89-5，1.25°)，电机功率55 kW，电压等级660/1 140 V；高韧性螺旋钻杆(φ73 mm，L=3.0 m)230根；胎体式复合片钻头(FTP96四翼平底定向钻头)6只；加强型螺旋扩孔钻头(PDCKφ153)4只；水变(φ73 mm)4个。

施工流程：固定钻机→连接压裂工具串→开动压裂泵→管路测压→封隔压裂→稳压注水→停泵放水与检测→退管柱→下分段压裂作业。

图3 深孔水力压裂钻孔内压裂工具组合Fig.3 Combination of fracturing tools in deep hole hydraulic fracturing drilling hole

3 压裂效果数值模拟

考虑B1背斜、X1背斜和DF29断层组成的复合构造区，应用FLAC3D软件，模拟孟村煤矿5条中央大巷坚硬顶板水平井压裂。根据M4-2号钻孔测得孟村煤矿大巷位置煤层厚度为22 m。大巷布置在煤层中部，底煤厚度平均10 m。直接顶砂质泥岩厚度约为3.5 m。基本顶为细粒砂岩厚度约8 m，煤层上方20 m赋存有粗砂岩，岩层厚度达到17 m以上。铝质泥岩底板模拟厚度约为7 m，下层底板泥岩厚度为10 m。根据中央大巷煤层厚度、顶板岩性和试验强度，以及水平井压裂层的选择，顶板建模至煤层上方的粗砂岩关键层，加上褶曲的起伏和断层导致的岩层错动，共计岩层模拟厚度80 m。工作面布置模型如图4所示。

图4 工作面布置模型Fig.4 Working face layout model

根据数值模拟数据分析，对比如图5(a)和(b)所示，坚硬顶板压裂后，大巷间煤柱中的应力集中较压裂前下降，煤柱应力由38 MPa下降至36.5 MPa；煤柱应力由39.7 MPa下降至38.7 MPa；煤柱应力由37.1 MPa下降至36.2 MPa。水平井压裂后，煤岩体的结构改变，系统更容易计算平衡，相同的时步下，压裂后的煤岩层结构更快地达到平衡。可以认为坚硬顶板压裂后，大巷和顶板中的压裂空腔共同形成稳定的结构，能够以较小的应力维持平衡。

图5 大巷煤柱应力集中模拟Fig.5 Stress concentration simulation diagram of main roadway coal pillar

4 基于现场监测的压裂效果分析

4.1 压裂效果检验方案

为了检验中央大巷顶板水力压裂卸压效果，在压裂区域增设微震、地音探头，并安设锚杆(索)测力仪持续监测顶板压裂前、压裂过程中及压裂后整个过程煤岩体震动活动性及巷道支护力等。监测设备安装位置如图6所示。

图6 微震、地音、锚杆(索)测力计等监测设备布置Fig.6 Layout of monitoring equipment such as microseism，geosound probe and anchor rod(cable)dynamometer

4.2 压裂效果分析

4.2.1 水压监测

采用专用记录仪监测水力压裂过程中水压变化曲线，压裂过程中的最高水压一般为 12～31 MPa，说明不同地点顶板的强度和完整性不同，局部岩层坚硬、致密。图7为5#孔压裂过程中水压变化曲线，从压裂曲线可看出：正常情况下，压裂开始 10～15 min压裂点首个裂缝被压开，开缝时初始压力达到20 MPa以上，附近已发生过冲击显现或地质异常的区域初始压裂小于20 MPa；首个裂隙压开的瞬间，水会即刻渗入裂隙，压力会有一个明显的突降，压裂水充满裂隙后压力逐渐恢复，到一定压力值后裂隙被逐步压开，在足够流量及泵压保障下，如此循环着多个加压和相应压力释放的过程，在此过程中岩层裂缝被逐步压开；压裂孔围岩完整性较好时，压裂曲线呈现锯齿状，说明岩层在发生反复张拉破坏，裂纹持续稳定扩展，压裂过程长时间保压能很好保证压裂效果。

图7 5#孔压裂过程水压变化曲线Fig.7 Water pressure change curve of 5# hole during fracturing

4.2.2 微震监测

统计2020年7月1日—8月17日微震事件活动趋势，如图8所示，可以得出如下规律：每次压裂施工结束后微震活动性明显降低，尤其能量释放处在较低水平，经历6次压裂后，中央大巷顶板围岩活动呈现明显的逐渐下降趋势；6次压裂施工过程中微震活动性均有所增加，尤其在25日1#孔压裂增加泵压后，微震活动明显出现先高频次低能量→后低频次高能量的趋势，表明压裂过程中顶板围岩的裂隙发育、贯通及围岩破裂的卸压过程；中央大巷开展顶板压裂后整体上微震活动低于压裂前(7月1日—7月13日)。截止到2022年1月份，中央大巷复合构造压裂区内再没有发生过冲击显现或4次方以上高能事件，整体压裂效果较好。

图8 中央大巷压裂前后微震频次-能量变化趋势Fig.8 Variation trend of microseismic frequency-energy before and after fracturing in central main roadway

选取压裂前50 d(5月24日—7月12日)和压裂后50 d(8月16日—10月4日)微震数据进行对比分析，得到：微震事件由79次降低至44次，降低了44.3%，总能量由4.04×105J降至6.73×104J，降低了83.3%，如图9所示，表明中央大巷构造区应力得到有效释放。

4.2.3 地音监测

对1#～5#压裂孔压裂前后地音数据进行分析，压裂后中央二号辅运大巷8#地音探头监测地音频次由20 646次降低至2 965次，降低了85.6%，总能量由6.32×106J降至1.50×106J，降低了76.3%；9#地音探头监测地音频次由19 345次降至1 854次，降低了90.4%，总能量由5.17×106J降至1.26×106J，降低了75.6%。可以得出压裂施工期间单位时间地音能量明显高于非压裂时间，而且是持续保持较高的水平。图10为压裂过程中中央一号辅运大巷的27#地音探头活动性变化趋势。

4.2.4 锚杆(索)应力变化情况

锚杆(索)测力计无明显变化，锚杆(索)属于主动支护，锚杆(索)受力的降低往往是在锚固体受损的情况下出现，受力曲线没有降低说明水力压裂并没有导致巷道支护能力下降，这对防冲是有利的。

图9 中央大巷构造区微震能量及频次变化规律Fig.9 Variation law of microseismic energy and frequency in central main roadway structural area

图10 一号辅运大巷27#地音探头活动趋势Fig.10 Activity trend of 27# geasound probe in No.1 auxiliary transportation roadway

5 结语

针对孟村煤矿中央大巷复合构造区应力集中、冲击危险较高的问题，采取中央大巷构造区定向长钻孔水力压裂措施，通过压裂降低厚硬岩层的强度和完整性，能量传递由硬传递变为软传递，大巷构造区冲击危险性持续降低，表现为微震活动呈现“低频低能”状态，避免较高程度的应力集中，从而降低诱发冲击启动的载荷源。数据分析表明，定向长钻孔水力压裂对中央大巷复合构造区卸压效果显著，大幅降低冲击危险，取得良好效果，达到保障安全生产的目的，为类似条件巷道冲击地压防治积累了经验。