双厚组合坚硬顶板定向长钻水力压裂评价体系研究

2024-02-20王泽阳郑凯歌李彬刚李延军王豪杰王林涛

中国矿业 2024年1期

杨欢，王泽阳，郑凯歌,3，李彬刚，李延军，杨森，王豪杰，戴楠，王林涛

（1.兰州资源环境职业技术大学，甘肃兰州 730030；2.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西西安 710077；3.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001）

0 引言

我国煤炭资源储量丰富，赋存条件复杂多变，其中当顶板存在坚硬厚岩层时，工作面采后顶板难以随采随落，经常会出现大面积悬顶，当悬露顶板达到破断条件时断裂易形成大面积风暴造成工作面冲击事故[1-4]。

专家学者们针对厚硬顶板防治措施展开了深入研究，目前针对厚硬顶板的防治措施主要有深孔预裂爆破[5]和水力压裂[6]两种。其中，深孔预裂爆破可以使厚硬顶板长臂梁变为短臂梁，降低来压风险[7-8]，但是其工程量大，爆破易产生有害气体，在高瓦斯矿井中还有使用条件限制[9]。近年来，随着水力压裂技术的发展，其安全性、经济性和方便性等较其他方法有较大的优越性，越来越多矿井采用水力压裂弱化顶板[10]。在压裂参数方面，李明轩等[11]、王锐等[12]、焦战等[13]研究了坚硬顶板压裂工程中不同地应力、层面夹角、岩层性质、压裂参数等条件下裂缝的扩展形态。在压裂方法方面，张京民等[14]提出坚硬顶板初采期间深浅孔耦合三维定向水力压裂技术使工作面初次来压步距大幅减小；吕玉磊等[15]提出“高-低”位定向分段水力压裂技术使坚硬顶板能够及时垮落；李术才等[16]总结了多年来我国超长定向钻进技术的发展历程并对未来发展趋势提出了展望。在压裂效果和应用方面，潘俊锋等[17]提出在厚硬制灾层顶板处通过水力压裂“人造解放层”使顶板载荷由硬传递改为软传递，减小整体来压水平；王泽阳等[18]提出可采用定向水力压裂防治冲击地压；王元杰等[19]分析了深部厚硬岩层压裂对冲击地压的影响并通过试验明确了岩层的可压裂性能。

综上所述，水力压裂技术在厚硬顶板悬顶治理中起到突出的作用，学者们针对水力压裂参数选取、压裂方法等有着较为丰富的研究，但对于压裂效果评价方面，大部分仅是针对工作面来压强度进行分析，深入全面的研究相对较少。本文重点分析双厚组合坚硬顶板水力压裂后裂缝扩展情况，多手段建立定向长钻孔水力压裂效果综合监测评价体系，揭示水力压裂弱化顶板的实质，为工作面安全高效生产提供保障。

1 地质概况

新疆宽沟矿业公司目前主采B2煤层，煤层直接顶以泥岩、砂质泥岩和粉砂岩为主，平均厚度为8.19 m，基本顶为中粗砂岩和细砂岩，平均厚度为17.51 m。煤层上方为B4-1煤层（部分已采空），层间距为50 m。目前矿井开采的I010206 工作面煤层厚度9.5 m，其中机采高度3.2 m，采放比为1∶1.97，工作面平均倾角为14°。顶板上方2.84 m 存在13.59 m 的中粒砂岩和12.51 m 的细粒砂岩的组合层，组合层平均强度为115.25 MPa，抗拉强度为7.14～8.02 MPa，工作面煤岩柱状图如图1（a）所示。I010206 工作面南侧为井田边界，受井田边界影响，工作面倾斜长度在开采过程中会加长，如图1（b）所示，工作面开采初期倾斜长度为85 m，开采后期倾斜长度增加至137.8 m，工作面长度增加后，双厚组合坚硬顶板悬顶风险也随之增加，因此，需要对工作面扩宽区域顶板进行弱化处理，降低来压风险。

2 双厚组合坚硬顶板定向长钻水力压裂方案

2.1 弱化顶板方法及原理

采用爆破法弱化顶板工程量大，审批复杂，同时爆破易产生有害气体引发其他次生灾害。常规水力压裂钻孔长度有限，可以对工作面两端顶板进行弱化处理，但难以弱化中部坚硬顶板。因此，提出采用长钻孔定向水力压裂技术。

I010206 工作面采用中煤科工西安研究院（集团）有限公司自主研发的定向长钻双封单卡多点拖动顶板分段水力压裂技术，具体原理及施工过程为：①利用组合定向钻进技术在工作面顶板指定层位打超长钻孔；②将压裂工具送至孔底第一压裂段位置，利用封隔器坐封后进行第一段压裂；③压裂后收回封隔器并通过孔口高压管柱拖动压裂工具向靠近孔口的一侧移动，到达第二压裂位置后再次进行压裂；④不断拖动、压裂，直至完成整孔全部压裂段的压裂工作；⑤进行下一个钻孔压裂；⑥全部钻孔的所有压裂段压裂完成后即可在坚硬顶板岩层形成三维立体裂缝，达到弱化顶板的目的。压裂过程如图2 所示。

图2 长钻孔定向水力压裂Fig.2 Hydraulic fracturing for directional long drilling

2.2 定向长钻水力压裂方案

主要针对I010206 工作面加宽区域顶板进行压裂弱化，钻孔布置如图3 所示。总计布置三个钻孔，单孔长度481～517 m，单孔设计压裂13～14 段，累计钻探长度1 500 m，累计设计压裂段数40 段。其中，1 号孔和3 号孔分别距离下顺槽、上顺槽15 m、10 m，2 号孔位于工作面中间，压裂层位距煤层垂高15 m。压裂施工顺序为3 号孔、1 号孔、2 号孔。根据压裂层位力学参数和工作面地质情况确定水力压裂方案见表1。

表1 水力压裂方案Table 1 Scheme of hydraulic fracturing

图3 I010206 工作面定向压裂钻孔平面图Fig.3 Directional fracturing drilling plan of I010206 working face

3 定向长钻水力压裂监测评价体系

3.1 水力压裂裂缝发育特征综合监测评价体系

通过巷道巡查写实、压力实时监测、瞬变电磁以及钻孔窥视等技术手段从孔内、孔外、静态及动态四个方面对水力压裂裂缝发育情况及延展范围进行综合评价，如图4 所示。

图4 水力压裂裂缝发育特征综合监测评价体系Fig.4 Comprehensive monitoring and evaluation system for the development characteristics of hydraulic fracturing fractures

其中，压力实时监测曲线可反映压裂液与地层的相互作用及裂缝发育和延展情况，当加压过程中注水压力突然下降，说明岩层中形成新的裂缝并发生扩展。瞬变电磁的工作原理是利用发射机向地层中发射脉冲磁场，通过对接受信号处理分析得到岩层的视电阻率，当岩层不是处于含水层或受构造内水影响，其电阻率稳定变化，当顶板被压裂后由于裂缝中存在压裂水，所以监测结果会表现为低阻异常区（即压裂扩展范围）。钻孔窥视即通过向顶板岩层内钻孔，可最为直接地观测顶板裂缝发育形态和特征。

3.2 水力压裂裂缝监测结果

1）压力实时监测。提取1 号孔一个压裂段的压力曲线，如图5 所示。由图5 可知，压力曲线整体呈现为锯齿波动形态，说明在压裂过程中一直有微裂隙在钻孔周围发育并扩展，整个压力曲线中有四段明显下降的区域，说明产生宏观大裂缝，随着裂缝中水充满后，曲线开始波动，说明在大裂缝周围又不断出现微裂缝并扩展。

图5 1 号孔压力曲线Fig.5 Pressure curve of No.1 hole

2）孔内瞬变电磁探测。为清楚直观地观测到压裂后裂缝扩展发育情况，将压裂前岩层的探测数据当作背景场，用压裂后的探测数据减去压裂前的探测数据，提取出瞬变电磁纯异常场，如图6 所示，其中深色区域表示低阻异常区，即压裂扩展范围，颜色越深电阻率越低，裂缝扩展越充分。由图6 可知，压裂后钻孔径向半径20 m 范围内裂纹扩展较为充分，其中压裂段附近颜色较深，说明压裂段附近大裂缝较为发育。

图6 压裂后瞬变电磁探测低阻异常区Fig.6 Low resistance anomalous zone of transient electromagnetic detection after fracturing

3）巷道瞬变电磁探测。在上顺槽内巷道里程300～600 m 处每隔10 m 布置一根测线进行探测。三个钻孔压裂后瞬变探测结果如图7 所示。由图7（a）可知，3 号孔压裂后钻孔附近20 m 裂隙高度发育，20～40 m 范围裂隙较为发育，钻孔压裂范围已有一定影响到2 号钻孔附近。由图7（b）可知，1 号钻孔压裂后压裂影响范围接近30 m，且对工作面下部的影响程度高于工作面上部。两钻孔压裂后在工作面中部还有明显的高电阻区域，说明工作面中部未被压裂影响。由图7（c）可知，2 号钻孔压裂后，工作面电阻率整体较低，说明工作面顶板基本都被压裂，3 个钻孔的压裂影响范围覆盖了整个治理区域。

4）钻孔窥视。分别在I010206 工作面上顺槽466 m、478 m、580 m、593 m、外开切巷距上口35 m处；下顺槽640 m、605 m、555 m、540 m、525 m 处共布置15 个观测孔，对压裂后顶板裂隙发育情况进行观测。钻孔施工参数见表2，压裂后钻孔窥视结果如图8所示。

表2 钻孔施工参数Table 2 Construction parameters of drilling

图8 压裂后钻孔窥视结果Fig.8 Borehole observation results after fracturing

由图8 可知，在不同钻孔及不同深度情况下，多数裂隙的主要形态以纵向裂隙为主，局部存在多条垂直裂隙同时发育，同时个别窥视钻孔位于两压裂段中间位置，说明压裂段之间裂隙基本可以贯通，综合分析15 个钻孔窥视结果可知，钻孔内纵向裂隙、横向裂隙交替发育，发育范围贯穿中粒砂岩及细粒砂岩的双厚坚硬组合层，可以破坏其完整性，钻孔范围内裂隙可以贯通形成三维裂隙网络。

4 压裂效果监测

4.1 双厚组合坚硬顶板微震监测

通过分析压裂前后双厚组合坚硬顶板微震事件的能量和发生次数可一定程度上评价顶板出现来压的现象，从而反映出水力压裂超前弱化效果。对比分析压裂段和未压裂段微震能量、频次、能量最大值、单次能量平均值、单米能量平均值等相关参数，压裂段与未压裂段微震事件统计见表3。由表3 可知，水力压裂超前弱化顶板后，微震事件总体能量及次数分别降低89.4%和50.3%；其中零次方和一次方能量事件总能量降低65.0%，次数降低68.4%；二次方能量事件有所增加，总能量和次数分别增长32.1%和5.6%；三次方事件总能量和次数大幅下降，分别降低了82.8% 和81.1%。结果表明水力压裂后大幅降低了大能量微震事件发生的概率，使其能量提前释放，表现为“高频低能”现象，大大降低了双厚组合坚硬顶板能量集中突然释放的可能。

表3 压裂段与未压裂段微震事件统计Table 3 Statistics of microseismic events in the fractured and unfractured sections

分别统计中粒砂岩和细粒砂岩发生微震事件的情况见表4。由表4 可知，通过水力压裂治理，双厚组合岩层微震事件发生的总次数和平均次数都显著降低，总次数降低幅度超过60%，同时可以看出压裂后中粒砂岩发生微震事件的次数占所有岩层发生微震事件总次数的比例有所上升，说明压裂后中粒砂岩在工作面推进过程中沿着裂缝不断断裂，能量持续放出，避免了能量集聚现象。

表4 压裂段与未压裂段中粒砂岩和细粒砂岩微震事件统计Table 4 Statistics of microseismic events of medium and fine grained sandstone in the fractured and unfractured sections

4.2 工作面支架阻力监测

收集工作面支架阻力数据，绘制工作面进入压裂区域前后支架阻力云图如图9 所示。由图9 可知，工作面在未压裂区域时，出现明显的来压显现，尤其在700 m 附近，工作面中部来压持续距离较长，来压强度较高，基本都达到40 MPa 以上。当工作面进入压裂区域后，工作面支架压力分布较为均衡，无明显的来压界限，且来压强度整体下降，来压范围和持续步距增加。说明水力压裂可明显改善工作面来压情况，降低悬臂大面积断裂产生的风险。