定向长钻孔分段水力压裂技术在冲击地压防治中的应用

王泽阳，郑凯歌，王豪杰，刘昌益

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710054)

煤炭作为我国的战略性支柱能源，在短时期内的地位不可动摇，在百年未有之大变局的时代背景下，能源安全已经成为国家安全战略的重要组成部分。煤炭资源的安全高效回采是保障能源安全的前提，随着我国浅部煤炭资源逐渐枯竭，煤炭开采不可避免地向深部转移，但煤矿冲击地压的危害性与资源安全高效回采形成了难以协调的矛盾[1]。如何能在安全高效回采的前提下不发生冲击地压显现成为了世界性的采矿难题。近年来我国冲击地压监测及治理手段进步显著，在冲击地压矿井广泛使用并取得了良好的效果[2-9]。但目前应用的冲击地压技术在现场实际应用过程中存在不同程度的弊端，如大直径钻孔卸压无法应用于小煤柱工作面且需要及时封孔，否则易引起煤层自燃，形成次生灾害；深孔爆破所需炸药领用手续繁琐，危险系数大；巷道顶板水力压裂弱化范围有限，无法满足区域治理等[10-15]。为了保障工作面安全高效回采，笔者提出采用定向长钻孔分段水力压裂技术对工作面顶板进行大面积超前区域卸压治理，基于理论分析、数值计算及现场实测确定了压裂钻孔在空间中层位关系。在纳林河二号矿井开展了工程试验，实践效果表明定向长钻孔分段水力压裂技术防冲效果显著，为冲击地压的防治解危提供了新的方向。

1 定向长钻孔分段水力压裂超前卸压原理

由能量理论可知，当系统内积聚能量速度超过耗散速度则系统内部总能量增加，系统处于熵增阶段。当系统内总能量超过系统能够自我平衡的能量阈值时，系统会将能量以某种形式进行释放。冲击地压是由围岩-煤体系统积聚的弹性能超过了能量阈值导致的能量以动能的形式瞬间释放过程，可用式(1)表示：

(1)

式中：Ur——围岩中储存的能量；

Uc——煤体中储存的能量；

Us——动载输入能量；

Ub——系统自身能够耗散的能量；

t——时间。

Ur及Uc与煤岩体本身的物理力学性质及所处的应力环境有直接关系。通过工程技术手段降低煤岩体的物理力学性质及应力集中程度能够有效降低冲击风险。

工作面回采过程中Us主要由顶板运移引起，其中坚硬顶板条件下顶板来压引起动能释放为：

式中：m——断裂顶板的质量，kg；

u——顶板运动位移，m；

ρ——断裂顶板密度，kg/m?倕；

l——断裂顶板长度，m；

d——断裂顶板宽度，m；

h——断裂顶板厚度，m。

将式(3)代入式(2)可得

(4)

由式(4)可以看出，坚硬顶板垮落时的长度l与宽度d可以控制输入围岩-煤体系统的动载能量，从而降低冲击地压发生的风险[16-24]。

综上所述，在煤层坚硬顶板进行定向长钻孔分段水力压裂超前卸压治理，一方面能够在煤岩体中形成规模裂隙网格并浸润岩层，利用水对岩石的劣化作用，降低煤岩体物理力学性质和应力集中程度，从而降低围岩-煤体系统的静载能量；另一方面降低了坚硬顶板块度，从而降低围岩-煤体系统的动载能量。破坏冲击地压发生的能量条件，达到降低或者防治冲击地压的目的。压裂弱化前后覆岩结构及应力分布如图1所示。

图1 压裂弱化前后覆岩结构及应力分布

2 工程背景

2.1 工作面概况

31104工作面位于纳林河二号矿井一盘区南翼，北临3DHF1地质异常体边界，南临G9-10天然气管线保护煤柱及首采区边界，东临31103-1采空区，西临31105工作面，如图2所示。31104工作面主采3-1号煤层，煤层厚度为5.4～5.8 m，平均厚度5.5 m，层位稳定，结构简单，为近水平厚煤层。31104工作面柱状如图3所示。

图2 31104工作面位置示意

图3 31104工作面柱状

3-1煤层经冲击倾向性鉴定，煤层顶板具有强冲击倾向性，煤层具有弱冲击倾向性，两巷道采用锚-网-索联合支护。其相邻工作面在回采过程中出现多起冲击地压显现现象。为了保障矿井安全高效生产，针对坚硬顶板引发的冲击地压现象采用定向长钻孔分段水力压裂技术对工作面顶板进行区域超前卸压治理。

2.2 典型冲击显现情况

31104工作面相邻的31103工作面在回采期间发生过典型冲击地压显现情况，具体情况见表1。从表1可以了解到“8·11”冲击事件与“9·3”冲击事件均发生在双面见方区域，具体冲击地压显现位置如图4所示。

图4 典型冲击地压显现位置

两次冲击事件造成巷道变形严重，支护失效，巷道变形素描如图5所示。由图5可以看出，冲击地压在短时间内多次显现，严重制约了矿井的安全高效生产，因此31104工作面防冲形势严峻，亟需补充防冲手段以遏制冲击地压事故的再次发生。

表1 典型冲击地压显现情况

3 基于能量理论的水力压裂层位判识方法

压裂目标层位的选择直接关系着水力压裂的防冲效果。因此笔者提出了一种基于能量理论的水力压裂目标层位判识方法。

3.1 水力压裂层位判识流程

水力压裂层位判识流程由以下3部分组成：通过覆岩硬层判识公式自下而上对工作面上覆岩层进行硬层判识，得到覆岩中硬层所在位置；通过FLAC 3D数值计算软件对工作面进行建模，模拟开挖过程，结合可释放弹性应变能公式筛选覆岩能量积聚重点层位；收集邻近工作面回采全过程的微震事件数据对微震事件发育层位进行分析，筛选覆岩能量释放集中层位。上述3个层位的筛选结果取交集，最终确定水力压裂层位，具体流程如图6所示。

图5 两次事件巷道变形素描

图6 水力压裂层位判识流程

3.2 覆岩硬层层位的确定

覆岩中的坚硬岩层是影响工作面矿压显现及冲击地压灾害的重要原因，因此需要对工作面覆岩中坚硬岩层位置进行判别。

覆岩坚硬岩层判别方法是由下往上确定覆岩中的坚硬岩层位置。此处的坚硬岩层非一般意义上的坚硬岩层，它是指那些在变形中挠度小于其下部岩层，而不与其下部岩层协调变形的岩层。假设第1层岩层为坚硬岩层，其上直至第m层岩层与之协调变形，而第m+1层岩层不与之协调变形，则第m+1层岩层是第2层坚硬岩层。由于第1层至第m层岩层协调变形，则各岩层曲率相同，各岩层形成组合梁，由组合梁原理可导出作用在第1层硬岩层上的载荷为：

(5)

式中：q1(x)|m——考虑到第m层岩层对第1层坚硬岩层形成的载荷，kN；

E1——第1层弹性模量，GPa；

h1——第1层岩层厚度，m；

hi——第i层岩层厚度，m；

γi——第i层岩层容重，kN/m3；

Ei——第i层岩层弹性模量，GPa。

考虑到第m+1层对第1层坚硬岩层形成的载荷为：

(6)

由于第m+1层为坚硬岩层，其挠度小于下部岩层的挠度，第m+1层以上岩层已不再需要其下部岩层去承担它所承受的载荷，则必然有：

q1(x)|m+1

(7)

将式(5)和(6)代入式(7)并化简可得:

(8)

式(8)即为判别坚硬岩层位置的公式。具体判别时，从煤层上方第1层岩层开始往上逐层计算，当满足式(8)则不再往上计算，此时从第1层岩层往上，第m+1层岩层为第1层硬岩层；从第1层硬岩层开始，按上述方法确定第2层硬岩层的位置，以此类推，直至确定出最上一层硬岩层(设为第n层硬岩层)。通过硬岩层位置的判别，得到覆岩中硬岩层位置及其所控软岩层组[25]。

3.3 覆岩能量积聚重点层位的确定

根据工作面柱状图建立FLAC 3D数值计算模型，根据能量耗散与释放原理在采场应力环境产生的能量场中煤岩体单元总输入能量表达为[26]：

(9)

式中：e——主应力在主应变方向做的总功，J；

σ1——最大主应力，MPa；

σ2——中间主应力，MPa；

σ3——最小主应力，MPa；

ε1——最大主应力方向上的弹性应变；

ε2——中间主应力方向上的弹性应变；

ε3——最小主应力方向上的弹性应变。

引入弹性力学中胡克定律对煤岩体“应力-能量”关系(9)推导得：

(10)

式中：E——弹性模量，GPa；

μ——泊松比。

因此求得煤岩体在上文假设前提(无热交换与劣化损伤条件下)可释放弹性应变能Ue为:

利用FISH语言对FLAC 3D数值计算软件进行二次开发，结合式(11)对各个单元的可释放弹性应变能进行计算，输出能量密度云图。通过能量密度云图确定能量积聚重点层位。

3.4 覆岩能量释放集中层位的确定

采集现场相邻工作面回采过程中的微震监测数据并对能量事件在工作面剖面图上进行定位。结合工作面柱状图对微震事件对应层位的岩性进行划分。根据岩性划分结果，统计对应岩性层位的微震能量释放特征，确定能量释放的集中层位。

4 方法应用及技术实践

4.1 压裂层位的确定

对31104工作面覆岩硬层进行判识，判识结果见表2。由表2可以看出，31104工作面从顶板开始直至地表总计有8层硬岩。

表2 覆岩物理力学性质及硬层判识结果

续表2

构建FLAC 3D数值计算模型对31104工作面覆岩可释放弹性能进行探究，31104顶板上方可释放弹性能能量密度分布如图7所示。由图7可以看出，31104工作面顶板上方有4层可释放弹性应变能能量密度较高的岩层，其中，能量密度高且厚度大的2层分别为顶板上方16.0 m处、厚度为25.70 m和顶板上方62.9 m处、厚度为28.56 m的细粒砂岩层，这两层细粒砂岩为覆岩能量积聚重点层位。

根据采掘布置，收集31103工作面在回采过程中的微震事件并在剖面图上进行投影，为了能够更好对微震事件发育高度进行研究，选择微震事件能量大于1×104J的事件进行投影，如图8所示。由图8可以看出，微震在剖面上主要集中在工作面及上覆岩层中，微震事件发育高度可达煤层顶板100 m以上。

图8 31103工作面微震事件剖面投影

通过对微震数据进行分析后发现，煤层顶板上方不同高度条件下1×104J微震事件能量特征有明显差异，将不同高度微震事件频次及平均能量整理后形成表格，见表3。微震事件在细粒砂岩中能量事件均值能量较高，分析可知煤层顶板上方39.7 m及74.4 m处细粒砂岩层微震事件平均能量高于其他层位，是覆岩能量释放集中层位。

表3 大于1×104 J微震事件分布特征

对上述覆岩硬层层位、覆岩能量积聚重点层位以及覆岩能量释放集中层位的分析结果取交集能够得到，顶板上方16.0 m处、厚度为25.70 m，顶板上方62.9 m处、厚度为28.56 m细粒砂岩层应当是压裂目标层位，通过压裂弱化岩体强度，以降低其储存能量能力，抑制能量积聚。

4.2 压裂钻孔间距的确定

利用COMSOL Multiphysics多物理场数值计算软件构建出200 m×100 m×50 m(长×宽×高)数值计算模型，并在模型中央开孔，注水孔直径为96 mm，长度为100 m，与水平面夹角为0°，如图9所示。由于研究岩体中的渗流问题，因此物理场选择达西定律与固体力学。通过分析前期收集到的资料后确定COMSOL Multiphysics模型计算参数：细粒砂岩渗流系数K=1.2×10-8cm/s，孔隙率n=0.33，水密度ρ=1 000 kg/m3，水动力粘度μ=1×10-3Pa·s。

采用自由四面体网格对数值计算模型进行网格划分，将网格单元大小校准为流体动力学参数，为了更加准确地模拟注水孔周围渗流场的分布情况，需要对钻孔周围的网格进行细化。最终除钻孔周边单元，其余单元中最大单元大小为4.71 m，最小单元大小为1.41 m，最大单元增长率为1.15 m，曲率因子0.6，狭窄区域分辨率0.7。模型总计283 231个单元，网格体积总计1 000 000 m3。最终网格划分如图9所示。

图9 COMSOL Multiphysics渗流场计算模型

在数值计算时模拟30 MPa注水压力下，压裂1 h后的岩体孔隙压力场的分布情况。模拟结果如图10所示。

图10 钻孔周边孔隙水压力模拟结果

提取出模型中孔隙水压力与钻孔垂向位置数据，经整理后如图11所示。由图11可以看出，孔隙水压力在钻孔周围达到峰值，随着与钻孔径向距离的增加，孔隙水压力迅速衰减；在距钻孔5 m的范围内孔隙水压力衰减速度最快。

格里菲斯强度理论认为，具有张开型裂纹的岩体强度受裂纹尖端附近集中后的应力大小控制的张性破裂强度准则。由格里菲斯理论导出，岩体受力后使裂纹尖端附近应力升高值达超其抗拉强度，进而引起裂纹扩展所需满足的应力条件。

由表2可以看出，煤层顶板上方33 m及73 m对应层位的细砂岩最大抗拉强度为5.74 MPa。根据格里菲斯强度准则，由图11可以看出，当注水压力达到30 MPa时，距离钻孔37 m左右位置时，孔隙水压力降低至5.80 MPa。水力压裂宏观裂隙拓展半径为37 m左右，因此孔间距取75 m，钻孔设计方案如图12所示。

图11 钻孔周边孔隙水分布特征

图12 压裂钻孔设计

4.3 压裂施工

利用定向钻进装备，结合压裂目标层位结果，在31104工作面布置4个钻场，共计6个钻孔，其中高位钻孔3个，低位钻孔3个。具体钻探及压裂情况见表4。压裂段位置平面投影如图13所示。由图13可以看出，压裂段基本覆盖了31104工作面距开切眼150～450 m范围内的顶板岩层。

图13 压裂段位置平面投影

4.4 效果评价

为了保证效果评价的合理性，选取与31104工作面地质条件及开采条件相似的31120工作面进行对比分析。

31120工作面位于一盘区北翼，南临中央二号辅助运输大巷，北临纳林河保护煤柱，西临31121工作面采空区，东临31119工作面。工作面长300 m，走向长度2614 m。工作面主采3-1号煤层，煤层厚度5.3～6.1 m，平均厚度5.7 m。

表4 钻探及压裂情况统计

在工作面煤体中布置深孔及浅孔应力传感器，实时监测记录煤体内部的应力分布状态，将峰值应力与稳定应力之差记为煤体应力差值。煤体应力差值能够衡量工作面回采过程中煤体内部受到动载荷影响而形成的应力波动情况。煤体应力差值与工作面位置关系如图14所示，31104工作面压裂区域煤体应力平均差值为1.80 MPa，31120工作面相同区域煤体深孔应力平均差值为5.92 MPa。31104工作面深孔煤体应力平均差值较31120工作面降低了69.6%。在“一次见方”区域，煤体应力波动水平显著降低，降低幅度达88%，表明定向长钻孔分段水力压裂技术能够显著降低煤体内部应力波动，降低煤体冲击地压的危险。

图14 工作面煤体应力对比

在工作面布置微震监测系统，对微震能量事件进行实时监测记录。为了降低对比条件的差异性，选取31104工作面压裂区域与31120工作面对应区域产生的微震事件进行对比分析。

31104微震事件投影如图15所示。由图15(a)可知，31104工作面压裂区域内，平面微震事件最远出现在超前工作面前方412 m处，侧向最大发育距离为99 m；由图15(b)可知，微震事件最大发育高度为工作面煤层顶板上方53 m左右。

图15 31104工作面压裂区域微震事件投影

31120工作面对比区域微震事件投影如图16所示。由图16(a)可知，31120工作面与31104压裂范围的对应区域内，平面微震事件最远出现在超前工作面前方572 m处，侧向最大发育距离为152 m；由图16(b)可知，微震事件最大发育高度为工作面煤层顶板上方92 m左右。

31104工作面压裂区域的微震事件分布特征与31120工作面相比，微震事件发育超前工作面距离减少28.0%，侧向发育距离减少34.9%，最大发育高度减少42.4%。表明定向长钻孔分段水力压裂技术能够从三维空间上有效降低微震事件发育范围。

图16 31120工作面对比区域微震事件投影

将31104与31120工作面回采150～450 m范围微震事件特征进行对比，微震总能量与事件频次对比如图17所示，单刀能量对比如图18所示。由图17和18可以看出，31104工作面经过定向长钻孔分段水力压裂超前卸压治理后各项微震事件总能量由15 678 kJ降低至4 202 kJ，降幅达73%，事件频次由4 436次降低至1 518次，降幅达66%，单刀能量由43 kJ降低至12 kJ，降幅达72%。表明定向长钻孔分段水力压裂技术能够有效降低顶板破断时所释放的能量，降低动载荷影响。

图17 31104工作面与31120工作面微震总能量与事件频次对比

图18 31104工作面与31120工作面刀能量对比

综上所述，通过在工作面顶板运用定向长钻孔分段水力压裂超前区域防冲治理技术能够使煤体内部应力波动程度显著减小，令各项微震事件发育范围及监测数据水平显著降低，表明定向长钻孔分段水力压裂技术防冲效果显著。

5 结论

(1)煤层坚硬顶板进行定向长钻孔分段水力压裂超前卸压治理能够从静载能量及动载能量两方面破坏冲击地压发生的能量条件，达到降低或者防治冲击的目的。

(2)建立了基于能量理论的水力压裂层位判识方法，综合工作面覆岩中硬岩层位、能量积聚重点层位及能量释放集中层位的判识结果最终确定了压裂钻孔布置层位为煤层顶板以上33 m及73 m的细粒砂岩中。通过建立多物理场数值计算模型探究了水力压裂形成的孔隙水压力场与钻孔距离的关系，确定同一层位钻孔间距为75 m。结合上述结果完成了水力压裂钻孔方案设计。

(3)在31104工作面进行了现场应用，工程实践效果表明采用定向长钻孔分段水力压裂技术进行超前区域治理后，浅孔应力波动降低65.7%，深孔煤体应力波动降低69.6%。微震事件在空间中的发育范围超前工作面距离减少28.0%，侧向发育距离减少34.9%，最大发育高度减少42.4%。总能量、事件频次及单刀能量分别降低73%、66%及72%，防冲效果显著。