东滩矿弱化低位关键层治理矿震技术研究

曹怀轩，谢华东，杨 欢，王富刚，闫宪洋，张 俭

(1.兖州煤业股份有限公司 东滩煤矿，山东 济宁 272000；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；3.中国矿业大学，江苏 徐州 221000)

近年来，随着煤炭开采深度的增加，矿震发生的频次及形成的灾害急剧上升，严重制约矿井的安全生产[1]。矿震是一种极为复杂的动力失稳现象，矿震的发生会引起介质震动，可能造成采掘空间周围岩体破裂、滑移和突然卸压。山东省是矿震多发地区之一，东滩煤矿自2001年6月发生冲击地压事故以来，已多次发生矿震事件，是兖州煤业股份有限公司动力灾害最严重的矿井之一[2]。国内外学者对矿震发生机理进行大量研究，基本认为矿震的发生与上覆坚硬顶板的破断有密切关系[3]。Alan A.Capmoli等提出坚硬的岩层是诱发冲击地压的不利地质因素。徐学锋、魏东[4]等判断主、亚关键层并分析其破断形态，得出矿震发生主要受低位亚关键层回转滑移失稳、高位亚关键层剪切滑移失稳及主关键层极限破断失稳影响；姜福兴等[5，6]研究了厚硬岩层关键岩块的结构形态对矿震发生的影响；窦林名等[3，7-9]认为煤岩冲击与坚硬岩层破断动载关系密切。国内外学者对矿震灾害的防控技术手段主要为：优化总体开采设计[10，11]，选择合理开拓布置及开采方式、顶板爆破、注水软化等[12-14]，局部钻孔卸压、爆破卸压等[16，17]。现有研究理论及治理方法在工程实践中均取得较好效果，但对于弱化下位关键层治理矿震方面研究较少，相关实践应进一步丰富。

东滩煤矿3上煤赋存于山西组，煤层顶板以粉～细砂岩为主，上覆山西组、石盒子组存在巨厚砂岩层，矿震的发生与巨厚硬岩的活动密切相关。本文以该矿63上03工作面为工程背景，以地层分布为基础，研究矿震特征，分析矿震发生机理，探讨定向长钻孔分段水力压裂技术弱化关键岩层治理矿震灾害，并对治理效果进行监测分析，以期为类似条件工程提供借鉴参考。

1 矿井概况

1.1 地质概况

东滩煤矿位于山东省邹城市兖州煤田东部，在地质构造上位于兖州向斜的核部和深部。3上煤层赋存于山西组，是矿井主采煤层。煤层顶板以粉～细砂岩为主，上覆存在巨厚砂岩层，抗压强度达到70～130MPa，煤层回采过程中不易垮落，易发生矿震动力灾害。

研究区域选取矿井六采区63上03工作面，六采区位于东滩井田南翼，东西长约3.4km，南北宽约1.8～2.8km，面积约6.9km2。63上03工作面南侧63上04工作面、63上05工作面已采，北邻63上02工作面未采。钻孔柱状如图1所示，巨厚砂岩层赋存较多。3上煤内生裂隙发育，参差状断口，条带状结构。3上煤层厚度4.90～6.80m，平均5.20m。

图1 钻孔柱状图

1.2 矿震特征

以往开采揭示，矿震致灾能力阈值为5×103J，矿震能量大于5×103J时，存在危险性；当能量小于5×103J时，为对安全生产无影响的矿震，即常规矿震。63上05工作面为已采工作面，63上05工作面回采期间，致灾矿震事件55次，占震动总次数的0.7%。63上05工作面致灾矿震事件发生间距如图2所示。

图2 矿震事件垂向分布

由图2可知，致灾矿震事件发生间距基本在30m之内，平均值19.8m，根据工作面回采数据可知，周期来压平圴步距20.2m，矿震事件发生与周期来压呈现协同发生的规律。

2 矿震防治技术原理

矿震的发生是上覆岩层受工作面采动影响，产生运动并伴随能量释放的过程。煤层上方有多层厚硬砂岩，如图3所示。分析关键层诱发矿震机理，假设有第1、第2、第i关键层，煤层距关键层的距离依次为h1、h2、…、hi，距离地表的距离为H，图中的Ei(i=1，2，…，n)代表第i关键层一次断裂释放的能量。随着工作面的推进，上覆岩层开始悬露、断裂。从能量的角度来说，矿震的孕育是能量缓慢积累和突然释放的过程，随着工作面的推进，关键层开始弯曲，积累能量直至能量积累达到极限，关键层破断，能量释放[3，5]。

图3 关键层断裂诱发矿震模型

以往研究表明，周期来压步距为关键层破断规律展示，前文所述矿震发生间距与周期来压步距吻合，即受关键层破断影响，关键层的破断下沉及高能量瞬间释放是矿震发生的主要原因。工程扰动之前，采用分段水力压裂工程弱化低位关键层，水力压裂既能破坏砂岩层的完整性，分割成若干块段或将砂岩层分层，改变其力学性质，又能使岩层吸水后强度降低。水力压裂弱化关键层原理模型如图4所示。

图4 水力压裂弱化关键层原理模型

通过水力压裂对低位关键层的提前弱化，工作面回采时，低位关键层沿着预裂缝破断，破断块体体积减小，垮落频次增加，破断单次释放能量减小，达到有效控制矿震灾害的目的。

3 矿震治理工程

3.1 关键层位置判识

在钱鸣高院士提出的关键层理论的基础上，国内学者通过大量研究和现场实践对关键层的判别，提出了大量的力学公式和判别方法，多为通过各种力学分析条件分析判识，确定关键层位置。广泛应用的判识方法主要分为以下步骤：

以直接顶岩层为研究的第1层岩层，假设煤层直接顶上方已有m层岩层存在，假设第1层岩层为关键层，其所能够控制的岩层位于上方的第n层，则第n+1层岩层要作为第二关键层基本条件是要满足关键层判别的刚度条件：

q1|n+1

(1)

式中，q1|n+1为第n+1岩层的岩体挠度；q1|n为第n层岩层的岩体挠度；E为弹性模量，MPa；hi为第i层岩层厚度，m；γ为岩石容重，kg/m3。

式(1)表示第n层岩体的挠度大于第n+1层岩体挠度，由于第n层的变形大于第n+1层的变形，第n+1层及其上部荷载可以由自身结构承担。此外，n+1层岩层成为关键层还必须满足强度条件，判别条件如式(3)：

Ln+1>Ln

(3)

式中，Ln为第n层岩层破断距，m；Ln+1为第n+1层岩层破断距，m。

综合关键层刚度和强度判别方法，计算得出东滩煤矿关键层，具体见表1。结合矿震发生位置，选取水力压裂治理层位为亚关键层中粒砂岩层。

表1 东滩煤矿关键层判识

对63上03工作面未治理区域发生的矿震位置及能量进行统计分析，结果如图5所示。由图5可知，63上03工作面矿震发生位置分布在埋深680～740m的岩层中，能量大于5×103J的矿震主要集中在埋深690～740m岩层，结合钻孔柱状可知，矿震发生位置基本在距离顶板15.13m、厚度为33.8m的中粒砂岩层中，该层位为矿震致灾的源头层位。

图5 63上03工作面矿震位置及能量

3.2 弱化低位关键层治理矿震灾害

依据矿震发生位置及弱化低位关键层治理矿震机理，根据判别的关键层位，在东滩煤矿63上03工作面距离顶板15.13m的中粒砂岩层中，实施定向长钻孔分段水力压裂工程治理矿震。该技术依托超深钻孔定向功能，将压裂工具串送入指定位置后，通过双封隔器单卡压裂目标层位段，当压力大于岩层破裂压力后，岩层的弹性余能以动能形式释放，逐段完成压裂施工，使岩体形成有效连续性岩层裂缝，如图6所示。

图6 分段水力压裂工艺

水力压裂施工参数见表2。水力压裂过程中，岩层产生有效裂缝时出现明显压降。由表2可知，水力压裂施工过程中，每个压裂段最大压力超过了岩石拉伸破坏极限，在压裂过程中均出现多次压降，岩层产生较多裂缝。分段压裂工艺使得岩层形成连续裂缝，有效弱化了岩层强度，降低了岩层聚集能量的能力。

表2 水力压裂施工统计

4 矿震治理效果分析

通过对压裂前后治理工作面回采过程中矿震事件发生特征进行对比分析，有效展示压裂治理效果。压裂前后微震事件发生次数如图7所示，通过对比可知，工作面回采进入压裂区域后，矿震日发生频次明显增高，平均值由4.27次增加至6.95次，增加62.7%，水力压裂超前弱化关键层有效影响了矿震事件发生频次。

图7 压裂前后微震事件发生次数

1)常规矿震事件。压裂前后能量小于5×103J的常规矿震事件发生次数如图8所示，压裂施工后，明显提高了常规矿震事件的发生次数，压裂前平均每天发生3.8次，压裂后平均每天发生6.86次，每天平均提高了80.5%。

图8 压裂前后能量小于5×103J微震事件发生次数

2)致灾矿震事件。统计能量大于5×103J的致灾矿震次数为134次，未压裂区发生129次，压裂区发生5次，矿震事件发生次数如图9所示。未压裂区发生震级大于10.03次，下降95.45%。

图9 能量大于5×103J矿震事件发生次数

通过对比分析矿震事件在压裂前后数据可知，水力压裂弱化关键层使常规矿震事件发生频次增多，但致灾矿震事件频次大幅减小，表明水力压裂过程形成的连续裂缝及对岩层的软作用使得关键层聚集的高能量分散释放，形成小震级、多频次的震动特征，63上03工作面已顺利通过治理区域。

5 结 论

1)基于周期来压特征，结合微震能量统计分析，揭示了矿震动力灾害发生特征，其发生具有周期性，并与周期来压呈现协同发生的特征，发生位置集中在顶板15.13m位置厚度为33.8m的中砂岩层中。

2)依据矿震发生特征，提出了矿震防治技术原理。关键层强度大，不易垮落，回采时形成破断步距大、聚集能力高的特征，易诱发矿震灾害。通过水力压裂弱化中粒砂岩亚关键层，减小破断步距，降低能量聚集能力，超前防治矿震灾害。

3)压裂治理后，常规矿震事件发生次数明显提高，日平均次数升高了80.5%；致灾矿震事件日平均发生次数下降了95.45%，矿震治理技术使得关键层聚集的高能量分散释放，形成小能量、多频次的震动特征，63上03工作面已安全通过治理区域。