煤矿坚硬顶板灾害水力压裂防治技术监测及评估

2024-03-06杨新路徐世达

煤炭工程 2024年2期

石垚，雷瀚，杨新路，徐世达

(1.中煤科工开采研究院有限公司巷道研究分院，北京 100013；2.东北大学深部工程与智能技术研究院，辽宁沈阳 110819)

煤矿井下生产过程中，顶板意外垮落通常会造成生产计划延误、人员设备伤亡等损失。近年来，顶板事故在煤矿各类型灾害事故中占据较大比例，严重威胁煤矿的安全生产。据统计，2010—2019年全国煤矿顶板事故2536起，死亡3208人，分别占煤矿总事故数与总死亡人数的44.41%和32.28%[1]。存在坚硬顶板的煤层开采，多具有顶板强度高、悬顶面积大、应力集中现象突出的特点，更容易诱发顶板灾害事故[1，2]。我国一半以上的矿区煤层发现了坚硬顶板，存在坚硬顶板的煤层约占总体煤层的三分之一[3，4]。实践表明，顶板灾害事故诱因多、易突发、防控难度大[5]。因此，煤矿顶板灾害防控一直是我国煤矿开采领域中的重要研究课题。

自1947年水力压裂在美国堪萨斯州试验成功以来，压裂设备、压裂液和添加剂、支撑剂等方面迅速发展，已广泛应用于地应力测量、天然气、石油等领域，随着水力压裂在油气领域表现出的增透钻孔布置简便、增透范围大、压裂效果明显等优势，逐渐应用于围岩岩层控制和低透气煤层的瓦斯治理两个领域[6，7]。我国煤矿坚硬顶板水力压裂技术最早由波兰引进，并在大同矿区开展了试验[4，8]。相较于其他顶板卸压技术，水力压裂技术具有安全性好、环境影响小、经济性强、控制范围大的优点，且经济成本不到其1/10[9]，在顶板控制中更具有优势。

水力压裂的原理是将压裂液注入至压裂孔中，通过穿孔或裸眼井段，进入待压裂区域，在两端密封器作用下产生足够高的压力，破坏目标地层岩石产生裂缝。由于地层是非均质的，存在大量的原生裂缝。水力压裂产生的裂缝受原生裂缝赋存形态的影响，最终在压裂孔周围形成一定形态不规则的复杂裂缝网络。坚硬顶板水力压裂卸压的效果取决于压裂工艺技术的参数合理程度，而压裂裂纹实时监测及压裂后顶板破裂规律研究是确保水力压裂施工取得理想效果的关键性手段。精准压裂将是水力压裂技术的发展趋势。通过水力压裂裂纹监测技术，可了解坚硬顶板裂缝扩展情况，分析压裂参数与施工效果指标之间的联系，优化水力压裂设计方案，提高坚硬顶板控制效果。

1 常见水力压裂监测技术

1.1 钻孔窥视法

许红杰[10]依托榆神矿区神树畔煤矿采用钻孔窥视、高频电磁波CT技术对压裂前、后顶煤体裂隙破裂及扩展状态进行了探测，压裂后钻孔内顶煤裂隙发育比例增加23.5%。李浩男[11]采用钻孔窥视方法揭示了水力压裂成庄煤矿15号煤上覆坚硬顶板分层垮落过程，为坚硬难垮顶板治理提供了参考。张荣俊[12]采用钻孔窥视技术揭示了水力压裂过程产生了轴向裂隙和径向裂隙发展过程。五阳煤矿采用钻孔窥视仪观测压裂后裂纹的方向，并通过钻孔是否冒水判断压裂范围[13]。张宏[14]通过观测红柳林煤矿工作面锚杆受力情况发现水力压裂后顶板岩层应力向实体煤方向转移。上榆泉煤矿[15]采用钻孔窥视仪观测压裂后煤岩体裂隙发育情况，获得单个压裂孔有效扩散半径约为10 m的结论，工作面初次来压步距缩短为32 m。野川煤矿[16]采用水力压裂技术弱化分层顶板，使其分区域、分次及时垮落，通过观察水力压裂钻孔出水判断出压裂水压10～20 MPa时，压裂范围约为10 m。寸草塔煤矿[17]采用水力压裂实现综采工作面有序放顶，通过钻孔窥视发现压裂水压29 MPa时，压裂直径最大可达20 m，工作面初次来压步距减小至51.2 m。郭家湾[18]开展了大采高工作面水力压裂放顶试验，通过钻孔窥视仪发现切槽方向对压裂裂隙扩展方向具有显著影响，顶板初次垮落步距为51.7 m，与未进行水力压裂顶板相比减少30 m以上。斜沟煤矿[19]采用钻孔窥视方法评价工作面材料巷顶板水力压裂切顶卸压效果，揭示了钻孔内竖向裂隙带的存在，提高了迎采掘进巷道围岩的稳定性。

1.2 应力监测

小保当一号煤矿柱[20]采用钻孔应力计测试，发现压裂段与非压裂段相比煤体应力降低了50%以上。纳林河二号煤矿[21]支架阻力测试表明，顶板来压步距由18.24 m降低至12.76 m，来压前支架平均阻力由33.41 MPa降低至28.46 MPa，来压峰值由53.24 MPa降低至48.21 MPa，煤体浅孔应力由4.3 MPa降低至1.72 MPa。张荣俊[12]通过在高压聚能泵的出口位置安装高精度压力表的方法观察到当压裂压力在18 MPa时，水力压裂裂缝扩展范围达到10 m。寺河煤矿[22]通过观测锚索受力变化研究大采高留巷水力压裂切顶卸压效果，垂直应力集中区由压裂前的滞后工作面150 m至350 m范围减小到滞后工作面50 m范围内。漳村煤矿[23]基于钻孔应力计与液压支柱应力计研究压裂孔密度对巷道卸压效果的影响，总结出压裂水压达到28 MPa时14 m是最经济合理的压裂孔间距，压裂段最大值28.7 MPa，非压裂段最大值达到43.4 MPa。东滩煤矿[24]通过光纤光栅三维应力计采集水力压裂前后采动应力数据，观察到压裂后顶板岩层应力集中程度明显降低，主应力方向改变，超前支承压力影响范围减小。

1.3 位移监测

陈真[20]采用十字布点位移测量法测量压裂前后巷道变形量，分析了水力压裂切顶前后顶板与两帮变形差异，顶板下沉量减小约48.3%，两帮移近量减小约62.4%。大柳塔煤矿[27]52502工作面来压步距平均值由29.37 m下降到11.43 m，降幅61.08%。寺河煤矿[22]东五盘区东翼集中巷布置表面位移测站，切顶卸压后，两帮移近量降低53%，顶板下沉量降低33%，底鼓量降低18%。山西潞安漳村煤矿[23]在双U工作面留巷围实施定向水力压裂后，巷道顶底板和两帮位移量分别降低了45%和26%，巷道变形控制效果良好。中兴矿[28]采用巷道围岩变形监测对比分析压裂卸压效果，观察到压裂段顶底板移近量是未压裂段的56%，两帮收缩量是未压裂段的22%。回坡底矿[29]综采工作面留巷水力压裂切顶卸压后，巷道顶底板移近量降低50%，两帮移近量降低30%。

1.4 电磁法

许红杰[10]采用高频电磁波CT技术对压裂前后的煤体进行井下实地探测，发现压裂裂缝扩展贯通范围达到10 m以上。纳林河二号煤矿[21]顶板定向长钻孔水力压裂最高压力30 MPa，采用孔内瞬变电磁探测判断压裂影响半径约30 m。千秋煤矿[30]采用KBD-5电磁辐射仪采集压裂前后电磁辐射强度和脉冲数，压裂后均呈现出明显下降现象。吴雯[31]基于压裂过程电场变化特点开发了分布式微弱电场监测技术，为压裂液运移成像提供重要支撑。五阳煤矿[13]采用瞬变电磁仪观测压裂前后工作面顶板电阻率变化，压裂区域形态与低电阻区域形态基本吻合。李宇腾[32]采用压裂孔内施工的动源动接收瞬变电磁探测方法分析压裂纯异常场，判定条带状低阻异常即为压裂裂缝所致，异常走向为裂缝延伸方向。

1.5 微震监测技术

张军[33]采用微地震向量扫描技术研究了不同倾角煤层压裂裂缝面的产状、发育机理，为压裂设计及监测提供参考依据。纳林河二号煤矿[21]顶板微震监测表明，定向长钻孔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。李岩[34]采用微震监测技术开展水力压裂防治冲击地压过程研究，发现压裂区域顶板微震事件总能量和每米释放能量明显降低，降低了开采区域冲击危险性。小庄煤矿[35]采用超长钻孔水力压裂技术对特厚煤层顶板压裂卸压，发现水力压裂过程中微震事件具有“高频低能”的特点，揭示了上覆岩层顶板缓慢弱化过程。孟村煤矿[36]采用微震监测研究压裂过程煤岩体破裂活动规律，发现每次压裂施工结束后微震活动性明显降低，微震活动呈现“低频低能”状态，构造区应力得到有效释放。东滩煤矿[24]采用SOS微震监测系统研究压裂顶板破裂活动，结果表明压裂后大能级事件显著降低，日事件平均能量由100 kJ/d下降到10 kJ/d，空间平均释放能量保持在4～8 kJ/m。

常见的顶板水力压裂监测手段钻孔窥视具有操作简单、节约成本的优点，但其监测范围有限，难以实现实时、连续监测；应力监测和位移监测适应性强，受环境因素影响小，可以及时监测岩体应力和位移状况对岩石破裂做出预警，但无法准确映射围岩内部状况；孔内瞬变电磁探测适用于具有一定导电性质的矿床，在非导电性质的介质中探测效果差，信号易受到外部电磁源干扰，影响探测结果。上述监测手段基本属于点监测或表面监测，局部偶然性大，无法揭示压裂处岩体响应特征。微震监测监测范围广、灵敏度高，微震监测具备空间“场”的特点，能够实现实时、连续监测，对灾害及时预警，应用越来越广泛。

2 坚硬顶板水力压裂微震监测技术

坚硬顶板水力压裂微震监测期望获得水力压裂裂缝扩展方向、扩展范围等信息，用于优化水力压裂参数。煤矿井下坚硬顶板水力压裂微震监测主要有地面监测、井下监测、联合监测等方式。

2.1 地面监测

地面监测一般将微震监测设备布置在地表，检波器安装于地表、浅孔或地面监测井中。针对地表和浅孔安装，传感器一般布置于井下水力压裂区域地表投影内，保证传感器监测范围能够覆盖井下压裂顶板。这种传感器浅层地表布置方法在煤层埋深较小时监测精度较高，随着煤层埋深的增大，垂向定位精度显著降低。同时容易受浅层地表地质条件的影响，第四系表土层、较破碎的岩层条件都会降低其监测精度。针对浅层地表传感器布置方式的不足，部分学者提出采用由地面向下施工监测井，将微震传感器成串布置于监测井中。这种监测方法在油气领域微震监测较常见，煤矿使用较少，多需与其他布置方式联合监测。检波器监测井布置方法对破裂震源垂向精度控制相对较好，在远离监测井的区域水平定位误差较大。

2020年淮河能源集团与中国煤炭地质总局勘察研究总院采用三维高密度矩阵式地面微震观测系统采集淮南潘谢区块PX2-1井水力压裂前、压裂中、压裂后的微震数据，成功定位95个微地震事件，并对震源机制、地应力进行了反演分析，判断出埋深784.54 m处压裂裂缝最多[37]。康红普[38]采用地面微震台站监测方法开展了陕煤曹家滩煤矿榆神矿区顶板压裂过程监测，通过向量扫描法分析了122108工作面顶板内压裂孔压裂释放能量空间分布特征，揭示了压压裂缝网分布形态，圈定了裂缝网扩展高度。

图1 地表微震传感器布置Fig.1 Layout diagram of surface microseismic sensor

图2 地表监测井微震传感器布置Fig.2 Schematic diagram of microseismic sensor layout in surface monitoring well

2.2 井下监测

与金属矿床、油田储油层赋存特征不同，煤层数量较少且垂向高度普遍较小，但在水平方向长度、宽度均较大，需要监测的煤层顶板整体呈薄板形态。正是由于煤层的这种赋存形态，煤矿巷道工程多布置在煤层底部，使得在辅运巷中布置的传感器阵列多呈线性或平面布置，垂直辅运巷与垂直方向上分布相对较单一。再加上相邻辅运巷距离较大，通常高达几百米，布置在相邻辅运巷中的微震传感器很难实现协同定位，因此严重制约了煤层顶板微震监测的范围与监测精度。尽管部分煤矿采用加长传感器安装长度的方法扩大监测区域，但由于装置安装深度的限制，并未显著提升微震系统监测精度。

中科院武汉岩土所在东滩煤矿六采区附近布置了4个微震探头，揭示了微震事件发生率与释放能量变化规律，与“悬顶出现→悬顶面积不断扩大→悬顶断裂能量释放”周期性发生过程[28]。北京科技大学通过布置于压裂孔周围的6个检波器采集压裂微震信号，发现水力压裂信号频率相对单一，在30～250 Hz频段较为集中[39]。布尔台煤矿三采区1603工作面共布置46个三向、单向微震传感器测点，得到利用井下微震监测技术能够获得煤层钻孔水力压裂破坏范围的结论[40]。

图3 井下微震传感器布置Fig.3 Underground microseismic sensor layout diagram

2.3 联合监测

针对地面监测与井下监测方法的不足，部分学者提出了“井-地-孔”微震监测方法，即通过井下巷道、孔中和地面联合布置的方法采集采动岩体破裂信号。这种布置方法弥补了地面、井下传感器阵列相对线性或平面式的安装。

寺河矿[41]采用井地联合微震监测技术捕捉水力压裂过程破裂事件，地面监测以压裂为中心采用网状布点覆盖破裂位置，地面传感器通过挖0.5～1.5 m深土坑将传感器埋入，井下传感器安装于锚杆外露端。重庆大学依托野外试验巷道建立了地表、地下联合28通道微震监测系统，揭示了煤层压裂微震信号频率特征及压裂影响范围[42]。

图4 “井-地-孔”联合微震传感器布置Fig.4 Layout diagram of “well-ground-hole” combined microseismic sensor

综上所述，地面监测微震系统对水平或缓倾斜煤层顶板压裂区域平面覆盖性好，破裂水平定位精度较高，设备安装工艺简单，可实现数据无线传输，但易受地表地形限制，破裂垂直定位误差较大，破裂信号信噪比低，尤其在第四系覆层较厚的情况下难以捕捉小能量的压裂事件。利用地面监测井布置微震传感器时，震源垂直精度较高，但传感器安装工艺较复杂，特别是在同一口井中布置多支传感器时，较难保证传感器深度安装精度；针对走向长度、宽度较大的煤层顶板压裂区域开展监测时，需布置多口监测井。井下监测可依托井下巷道布置微震传感器，监测距离近，监测精度较高，但在开采规模较大时，需采用超长深钻孔，井下施工易对生产活动造成干扰，线缆传输易受人为活动影响中断。采用联合监测方法时，集合了各方法的优点，空间包络性更强，压裂监测精度更高，但工作量与监测成本也将显著提升。可见，不同水力压裂微震监测方法各有利弊，应根据现场工程布置与压裂区形态、范围、埋深等信息选择合适的监测方法。

3 水力压裂效果评估

准确可靠的评价水力压裂效果是为了有效地弱化坚硬顶板。水力压裂效果评估一直是国内外学者的研究热点，早期的研究多基于室内物理模型试验，随着坚硬顶板水力压裂弱化技术的应用，逐渐向现场煤层坚硬顶板水力压裂效果监测与评估集中。

采用物理模型声发射试验是模拟研究人工注采复杂裂缝起裂、扩展机理、评估现场注采工艺的重要科研手段之一。陈勉[43]最早将声发射监测技术应用到室内水力压裂试验中。刘玉章[44]对比分析了大尺度岩样内部裂缝扩展过程声波分布规律与实际裂缝形态，揭示了层间应力差、施工参数对裂缝垂向延伸范围的影响。梁天成[45]利用声发射技术开展了砂岩、煤岩、页岩三类岩石水力压裂模拟实验，讨论了采用声发射信号频度和RA值两个参数联合评价压裂模拟模型实验破裂机制的可行性。尹陈[46]研究了不同尺度裂缝/裂隙活动诱发声发射和微地震事件的时空分布特征，发现岩石原生裂缝、裂隙分布趋势和方位对裂缝扩展具有主控作用。范濛[47]基于室内大型压裂物理模拟实验，结合压裂后裂缝形态、声发射数据和泵压曲线，发现垂向地应力差异系数、压裂液排量、黏度对水力压裂裂缝与天然弱面的贯通方式、水力裂缝的扩展速度有重要影响。一般情况下，室内水力压裂试验多采用石膏或水泥浇筑制成的试样和现场获取的小尺寸试样，与小尺寸岩石试样相比，水力压裂裂纹扩展、声发射信号传播等在大尺寸试样和现场岩体中更容易受结构面影响，呈现出的规律也更复杂。

黄炳香[9]针对水力压裂裂缝形态控制要求，提出了水力压裂设备、技术工艺改进的方法。郑凯歌[48]采用压裂范围、来压步距、来压周期、来压支架荷载等指标描述神东矿区布尔台煤矿水力压裂效果，裂缝发育长度30 m上，周期来压步距由15.6 m降低至8.6 m，应力降幅达到3 MPa以上，治理效果良好。姜光[49]通过周期来压步距、支架动载系数等分析宋新庄煤矿110301工作面坚硬顶板治理效果，为类似工作面开采提供了宝贵经验。张庆国[50]基于水力压裂影响范围评价厚煤层综放工作面沿空掘巷坚硬顶板水力压裂弱化技术，压裂后观察到明显的宏观轴向及径向裂缝，压裂影响范围在7.0～10.0 m，改善了工作面应力环境。庞贵艮[51]采用孔内瞬变电磁法分析了压裂前后电阻分布规律，提出采用压裂前后视电阻率变化范围作为压裂效果评价方法。杨胜利[52]依托寺河煤矿二号井15号工作面，采用基本顶垮塌距离作为坚硬顶板有序垮落的评价指标，水力压裂后18 m的老顶垮落距离优于放炮放顶的25 m老顶垮落距离。赵凯凯[53]分析了胡家河煤矿坚硬顶板水力压裂作用下裂缝面积及其扩展速度，主裂缝平均面积约为1.5×104m2，区域裂缝平均扩展速度约为152 m2/min，为坚硬顶板区域水力压裂技术的应用提供参考。段宏飞[54]研究了水力压裂裂纹扩展范围内的顶板冲击来压风险，揭示了30～50 m裂纹扩展范围内无明显冲击来压的规律，获得了水力裂纹扩展范围内水力压裂能有效控制坚硬顶板的结论。潘俊锋[55]在陕西孟村煤矿401102综放工作面对厚硬顶板开展区域压裂试验，采用微震数据反演获得的裂缝长度、高度及带宽等参数分析压裂效果，实现了人造解放层效应，获得了压裂区微震事件“高频低能”的认识。梁铁光[56]采用工作面来压强度与压裂钻孔影响半径评估坚硬顶板水力压裂效果，提出了利用压裂孔导通裂隙的高、低位水力压裂钻孔交错布置顶板弱化技术。王春林[57]通过来压的频次与规模分析了坚硬顶板水力压裂治理效果，提出了“定向长钻孔+常规短钻孔”水力压裂综合弱化治理技术。

物理模型实验研究多采用声发射监测、声波测试、切割试样观察裂缝形态等方法开展水力压裂效果评估，由于试样尺度较小、均质度较高，加上测试传感器较好的空间包络性，压裂事件定位精度高，试样波速能够准确测量，因此压裂效果评估相对较准确。现场煤层顶板由于受结构面、采动等影响，压裂效果评估难度大。目前，水力压裂多采用压裂影响范围、压裂前后应力、变形、来压步距等指标评价压裂效果。其中压裂影响范围多通过出水孔与压裂孔距离确定，但无法保证出水孔位置正好处于压裂影响区边界处。应力、变形与来压步距均属间接测试，影响因素较多。尽管部分案例采用微震技术监测水力压裂过程，但传感器数量相对较少、监测方案相对较简单，监测精度远小于物理模型实验监测精度，据此开展的水力压裂效果评估可靠性值得商榷。因此，开展煤层顶板水力压裂高精度微震监测技术研究，建立微震参变量与压裂效果指标之间的关系，研发适用于煤矿坚硬顶板的水力压裂精准评估技术迫在眉睫。