深部厚硬岩层压裂控制冲击弱化机理及可压裂性评价

王元杰，徐 刚，陈法兵，路洋波，李 岩，孙学波，刘 宁

( 1. 中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2. 煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；3. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；4. 中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116 )

神东煤田是我国已探明储量最大的整装煤田，属世界八大煤田之一。隶属于神东基地的东胜煤田位于内蒙古伊克昭盟境内，其中新街矿区、纳林希里矿区、呼吉尔特矿区、纳林河矿区、上海庙矿区等开采深度均超过600 m，有的甚至达1 000 m。其中，鄂尔多斯深部矿区开采煤层普遍存在上覆岩层顶板厚度大、强度高等特点，且上覆岩层都为砂岩类，整体性好。

厚硬顶板的存在极易导致工作面开采后上覆岩层的断裂和垮落滞后，上覆岩层的断裂具有破断步距大、影响范围广、矿压显现强烈、动载现象严重等特点[1-8]。同时，煤层开采厚度越大，坚硬覆岩运移破断越复杂，采场矿压显现越强烈，造成大空间范围内覆岩破断的难以预测和有效控制，为煤矿安全生产带来重大隐患[9-15]。因此，对深部厚硬顶板的控制提出了更高的要求。针对深井巨厚硬岩动力灾害的发生，兖州矿区东滩煤矿实施了地面垂直井压裂防控技术，陕西彬长矿业公司孟村煤矿实施了地面水平井压裂防控技术，通过对煤层上覆的硬厚岩层实施大范围水力预裂，促使其在开采期间有序垮落，基本实现了对预定地层的全厚压裂，降低了开采期间动力灾害的发生。

以东胜煤田红庆河煤矿厚硬顶板特厚煤层开采为例。该矿煤层厚度为6 m，工作面采煤方法为一次采全高，覆岩破坏高度范围达200 m以上。由于工作面上覆多层厚硬岩层的破断失稳造成采场矿压显现强烈，严重影响了该矿的安全生产。为此笔者团队提出采用地面压裂装备对煤层上覆主控岩层实施水平井压裂技术控制矿压。主控岩层的可压裂性评价对于预测压裂控制技术的实现具有重要意义，笔者应用材料力学分析了深部厚硬岩层压裂控制弱化机理，并从岩层脆性指数、脆性矿物含量和黏土矿物含量、镜质体反射率等方面综合分析了控制岩层的可压裂性。该研究可为类似厚硬岩层压裂控制技术的可行性分析提供可参考的理论方法。

1 工程背景

1.1 工作面概况

东胜煤田红庆河煤矿现主采3-1煤层，该煤层平均赋存深度为718.6 m，平均厚度为6.23 m，平均可采厚度为6.14 m，煤层倾角为1°～3°，为近水平煤层。该矿1采区3-1103综采工作面位于3-1煤南翼，为该采区第2个工作面，工作面长度210.95 m，走向长度2 479 m。3-1103工作面东南与尚未开采的3-1105工作面实体煤相邻，两者之间有40 m宽的双煤柱；西北与3-1101工作面采空区相邻，两者之间有2个30 m宽的双煤柱。3-1103工作面辅助运输巷北部为3-1101工作面采空区；3-1103工作面东部为采区辅助运输巷；开切眼西部为实体煤柱。3-1105工作面胶带运输巷南部、西部为实体煤，东部为采区辅助运输巷，北部为与3-1103工作面的隔离煤柱。3-1103与3-1105工作面相对位置如图1所示。

图1 3-1103与3-1105工作面相对位置Fig. 1 Relative position map of the working face

根据3-1103与3-1105工作面中间区域的钻孔( 19-11～19-15 )显示，该区域3-1煤层顶板多数为砂岩类，且岩层厚度多数大于25 m，如图2所示。沿走向方向该区域上分层岩层厚度变化范围为200～260 m，整体性好，分层数较少，以细粒砂岩为主；中层岩层厚度变化范围为170～240 m，整体性好，分层数较少，以细粒砂岩为主；下分层岩层厚度平均30～68 m，距离煤层较近，位于裂隙带范围内，对工作面冲击地压的影响最为显著。3-1103工作面开采期间，辅助运输巷多次发生强矿压显现，导致该巷道变形量较大而无法使用，因而重新掘进了辅助运输巷。工作面上覆厚硬岩层的存在，导致工作面开采后上覆岩层断裂和垮落滞后，进而地表沉降滞后，下沉量较小，矿压显现强烈，动载现象严重，造成冲击地压时常发生。

图2 控制区域走向覆岩分层情况Fig. 2 Distribution of rock layer in directional direction

红庆河煤矿为了减弱3-1103工作面厚硬岩层对工作面开采期间强矿压现象的影响，该矿主要采用了井下水力压裂防控技术对厚硬岩层进行预裂弱化。由于受井下压裂设备、技术及施工条件的限制，施工期间钻进、压裂均较困难，同时井下压裂后控制范围小，无法对高位厚硬岩层实现全区域、全厚度预破裂。为此笔者团队提出在3-1105工作面上覆地表采用地面水平井压裂技术控制该工作面强矿压的方法，通过对深部厚硬岩层实施水平井压裂，增加人工增透裂缝，对整个开采工作面岩体强度进行弱化，进而降低岩层的整体性和破断强度。

1.2 覆岩主控岩层分析

研究表明，顶板活动，特别是煤层上覆坚硬、厚层顶板的活动是影响冲击地压的主要因素之一。由于坚硬厚层顶板容易积聚大量的弹性能[16-17]，在坚硬顶板破断或滑移过程中，大量弹性能突然释放形成强烈震动，从而导致冲击地压的发生。

根据红庆河煤矿岩层赋存结构，以19-13钻孔为例对煤层上覆岩层中关于顶板控制的主控岩层 进行分析。表1为19-13钻孔岩层特性参数。

表1 钻孔岩层特性参数Table 1 Parameter of rock formation characteristics

根据关键层的定义与变形特征[18]，在关键层变形过程中，其所控制的上覆岩层与其同步变形，而其下部岩层不与之协调变形，因而关键层所承受的载荷无需其下部岩层来承担，第1层岩层为第1层关键层，其控制范围达第n层，则第n+1层成为第2层关键层，则必然满足

式中，qn+1，nq分别为计算到第n+1层与n层时，第1层关键层所受载荷。其中

式中，E为弹性模量，GPa；h为岩层厚度，m；γ为岩层的体积力，kN/m3。

当岩层在该处的最大拉应力σ达到该处的抗拉强度极限RT，岩层将在该处发生拉裂破坏，得到厚硬岩层的极限跨距为

按两端固支梁通过式( 3 )分别计算第4，14，19层的破断距。第4，14，19层岩层的初次破断步距分别为47.0，80.0，84.0 m。

根据上述分析，坚硬岩层第14层和第19层破断距较大，但由于离工作面较远，为远场坚硬岩层，对工作面强矿压显现影响程度较弱。坚硬岩层第4层离工作面仅为16 m，属于工作面近场坚硬岩层。随着工作面的继续推进，近场坚硬岩层破断后的能量都将作用于下伏岩层的再失稳，并作用于工作面支架及周围煤岩体，引发工作面冲击地压的发生。因此，通过分析判断得出第4层为3-1煤层采场矿压显现的主控岩层，且处于裂隙带范围内，对上覆岩层的移动变形起主要控制作用，即第4层为地面压裂的主要层位，水平井应布置在该层位中间偏下位置。

2 厚硬岩层压裂控制冲击弱化机理

研究表明[19]，地面水平井压裂后裂缝的扩展形态与岩层所处三向应力状态及压裂井布置形式密切相关。因此，采用地面水平井压裂后，在不同应力条件下，岩层内的压裂裂缝面分布形态主要有2种情况：① 压裂后产生水平裂缝面，将完整岩层分为2层或若干层，降低厚硬岩层的有效厚度；② 压裂后在厚硬岩层内形成垂直裂缝面，将完整岩层划分为2段或多段，如图3所示。

图3 压裂后厚硬岩层内不同裂缝面的赋存状态[19]Fig. 3 Different deposit status of thick hard rock layer after ground fracturing[19]

2.1 厚硬岩层水平分层对破断的影响

假设厚硬岩层的高度为h，长度为L，其承受的均布载荷为0q。将岩层简化为两端支撑的固定梁，对于岩层的初次破断，根据材料力学中固定梁的计算公式，最大弯矩发生在梁的两端，其中最大弯矩和该处的最大拉应力分别为

将图3( a )裂缝面进行简化，建立如图4所示的受力示意图，并假设水平裂缝面将厚硬岩层划分为1h，2h两部分。

图4 厚硬岩层水平裂缝面分层Fig. 4 Strayer diagram of horizontal crack surface of thick hard rock layer

假设下分层1h岩层独立失稳破断，则其不受上覆岩层载荷影响，所承受的载荷仅为其自重，即

根据式( 3 )，此时下分层岩层的破断步距为

上分层岩层的破断步距为

由于0＜h1≤h/2，此时l1＜lmax恒成立，即分层后下分层的破断步距恒小于完整岩层的破断步距。

由于0＜h1≤h/2，同样l2＜lmax恒成立，即上分层的破断步距同样始终小于完整岩层的破断步距。

假定上分层与下分层发生同步破断，则需满足（q2）1≥（q1）1，此时h/2≤h1＜h。下分层发生破断时，其极限跨距为式( 7 )，由h/2≤h1＜h可知，l1＜lmax成立，即下分层的破断步距恒小于坚硬顶板的破断步距。上分层的失稳破断要滞后于下分层，同理得到上分层破断步距l2小于坚硬顶板的破断步距lmax。因此，即使上下分层同步发生破断，岩层的破断步距同样减小，破断能量的释放强度降低，有助于缓解厚硬岩层破断失稳能量释放的强度。

上述分析表明，压裂后厚硬岩层发生分层破断，各分层的破断步距始终小于压裂前完整岩层的破断步距；同样，由于分层后各分层的厚度降低，岩层破断强度及释放能量将随之大幅降低。

2.2 厚硬岩层垂直分层对破断的影响

将图3( b )裂缝面进行简化，建立如图5所示受力示意图，垂直裂缝面将厚硬岩层分为A，B两块，块体长度分别为L1，L2，其中L=L1+L2。此时厚硬岩层受力状态不再类似于两端固定状态，A，B块体受力类似为铰接岩块，随着受力状态的变化，岩块容易发生滑落失稳现象。

图5 厚硬岩层垂直裂缝面分段Fig. 5 Section drawing of vertical crack surface of thick hard rock layer

以块体A为例进行受力分析，如图6所示，可以看出块体在垂直方向上受到包括其自重在内的均布载荷q0、端部支承力 AR以及块体B对块体A的摩擦力AF，在水平方向上受到块体B对块体A的水平推力AT。

图6 块体A受力分析Fig. 6 Force analysis of block A

地面水平井压裂后，在应力作用下，垂直裂缝面附近易产生应力集中现象，导致完整岩体沿垂直裂缝发生破断，并减弱块体A，B间的相互作用力，从而造成块体A，B两侧发生失稳破坏。因此，岩层在产生垂直裂缝面后，更容易沿着垂直裂缝面发生回转失稳，若垂直裂缝位置在完整岩层初步破断距的范围内，此时完整岩层的破断步距以及岩层破断失稳产生的能量将明显减弱，有利于减弱厚硬岩层破断失稳对下伏回采空间的冲击作用。

综上所述，采用地面水平井压裂技术对厚硬岩层进行压裂控制，在厚硬岩层中无论产生水平裂缝面还是垂直裂缝面，均改变了厚硬岩层原有的破断特征，降低了厚硬岩层的破断步距和能量释放强度，有利于减弱厚硬岩层破断失稳对下伏回采空间的冲击作用。

3 厚硬岩层可压裂性

可压裂性指岩层具有能够被有效压裂的能力，不同可压裂性岩层在水力压裂过程中形成不同的裂缝网络[20]。顶板及岩层性质决定了岩层的可压裂性，若顶板压裂性较差，不能形成裂纹或裂纹长度较小，将起不到防治冲击地压的目的。岩层可压裂性的主要影响因素有岩层脆性、脆性矿物含量、黏土矿物含量、成岩作用等。

3.1 岩层脆性

岩层的脆性系数是评价岩层可压裂性的重要参数之一。岩层脆性越高，越容易压碎，其可压裂性也越好[21]。杨氏模量和泊松比是表征岩层脆性的主要岩石力学参数。其中，杨氏模量反映了岩层被压裂后保持裂缝的能力，而泊松比反映了岩层在压力下破裂的能力。岩层的杨氏模量越高，泊松比越低，脆性越强。

岩层脆性大小使用脆性系数定量表示，计算公式[22]为

式中，BI 为脆性系数；YMBI为归一化杨氏模量；PBBI为归一化泊松比；Y MSC为静态杨氏模量，10 GPa；PRC为静态泊松比。

利用煤炭科学研究总院开采研究分院岩石力学实验室的伺服控制加载设备，对红庆河煤矿不同深度岩层进行单轴压缩试验，测定其杨氏模量、泊松比等力学参数，并将获得的泊松比、杨氏模量进行归一化计算得到脆性指数，测定及计算结果见表2，不同岩层脆性系数变化如图7所示。

图7 不同岩层脆性系数变化Fig. 7 Plot of brittle coefficient of different rock layers

表2 岩层杨式模量、泊松比和脆性系数计算数据Table 2 Data were calculated for the stratum Yang modulus，Poisson ratio and fragility coefficients

续 表

通过试验分析可以看出，红庆河煤矿临近煤层的顶板岩层脆性系数一般为45%～67%，相比中国部分地区的岩石脆性系数( 29.0%～65.1% )[20]，该矿顶板岩层的脆性系数略高，说明其有很好的可压裂性。

3.2 岩层脆性矿物含量和黏土矿物含量

岩层矿物成分的含量决定了岩层的力学性质，是影响岩层基质孔隙和微裂隙的发育程度以及岩层压裂改造方式等的重要因素[23]。脆性物质含量高的岩层脆性较强，容易在压裂控制作用下形成诱导裂缝。黏土矿物含量越低的岩层脆性越强；黏土含量越高的岩层塑性越强，其吸收能量越多，越难压裂[24]。

由中国石油大学( 北京 )油气资源与探测国家重点实验室对红庆河煤矿不同深度岩层做X-射线衍射试验，测试了不同深度岩层的矿物成分，测定结果见表3，不同岩层黏土矿物、脆性矿物含量变化如图8所示。其中脆性矿物含量是利用试验结果中石英、长石和白云石的含量之和计算分析所得。

图8 不同岩层黏土矿物、脆性矿物含量变化Fig. 8 Change diagram of the content of clay minerals and brittle minerals in different rock strata

表3 岩层矿物成分试验数据Table 3 Data on mineral composition of rock formation

根据试验结果计算得到，红庆河煤矿主控岩层( 顶1 )黏土矿物含量为10.8%～46.5%，平均含量为28.46%；脆性矿物含量为53.6%～69.7%，平均含量为60.82%。因此，主控岩层脆性矿物含量较高，可压裂性较好。

3.3 成岩作用

岩层在不同的成岩作用阶段，其矿物形态、黏土矿物组成以及孔隙类型均有不同，从而使岩层可压裂性不同。镜质体反射率(oR)是岩层热成熟度的指标，其反映了成岩作用的最大古地温和岩层的生烃条件，是反映成岩作用最合适的参数。根据研究结果可知，当 oR＞0.4%时，岩层达到过成熟阶段，储层黏土矿物较稳定，裂缝发育较好，具有较高的可压裂性[25]。

由中国地质大学对红庆河煤矿不同深度的岩层进行了镜质体反射率试验，测试结果见表4，不同岩层镜质体反射率变化如图9所示。

表4 岩层镜质体反射率试验数据Table 4 Experimental data of rock vitrinite reflectance

图9 不同岩层镜质体反射率变化Fig. 9 Vitrinite of reflectance of different rock layers

根据试验结果分析可得，红庆河煤矿顶板镜质体反射率 oR均大于0.4%，表明其具有较高的可压裂性。

通过对红庆河煤矿的岩层脆性、脆性矿物含量、黏土矿物含量及成岩作用进行综合分析可得，红庆河煤矿顶板主控岩层脆性系数达67%、黏土矿物含量为28.46%，均为各岩层中数值较高的一层。另外，主控岩层脆性矿物含量为60.82%，表明该岩层脆性较强，镜质体反射率oR为0.52%，为各岩层中数值最高的一层。综上可知，红庆河煤矿顶板主控岩层的可压裂性较高。

4 结 论

( 1 ) 通过理论分析可知，在厚硬岩层中产生的水平裂缝面和垂直裂缝面均改变了厚硬岩层的破断特征，降低了厚硬岩层的破断步距和能量释放强度，有利于减弱厚硬岩层破断失稳对下伏回采空间的冲击作用。

( 2 ) 通过分析岩层脆性、脆性矿物含量、黏土矿物含量和成岩作用等参数，可对厚硬岩层的可压裂性进行综合定量评价。

( 3 ) 红庆河煤矿顶板主控岩层脆性系数为67%、黏土矿物含量为28.46%，脆性矿物含量为60.82%，镜质体反射率 oR为0.52%，表明红庆河煤矿主控岩层脆性较强，可压裂性较高。

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