地面水平井分段壓裂防治沖擊地壓技術(shù)研究與應(yīng)用

牛鴻波，馬小輝，郭燕珩，楊 剛，劉己盛

(1.陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司，陜西 西安 710065；2.陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000)

沖擊地壓作為深部礦井煤炭開采面臨的主要?jiǎng)恿?zāi)害之一，已成為采礦界與巖石力學(xué)界亟待解決的世界性難題。我國目前采用的沖擊地壓防治技術(shù)主要有煤柱大直徑鉆孔、深孔爆破、煤層注水、頂板預(yù)裂等，這些技術(shù)均屬于局部防沖技術(shù)，具有井下施工條件受限、工程量大、施工難度大、卸壓效果不確定等問題，無法實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作面范圍內(nèi)的上覆堅(jiān)硬頂板區(qū)域性弱化，導(dǎo)致沖擊地壓事故不斷發(fā)生。水力壓裂技術(shù)作為石油、天然氣開采領(lǐng)域的主要增產(chǎn)手段，目前在煤炭領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，如煤層氣抽采、堅(jiān)硬頂板預(yù)裂、煤與瓦斯突出防治等[1，2]。近幾年，我國山東、山西地區(qū)部分具有沖擊地壓災(zāi)害的礦井雖嘗試應(yīng)用地面水力壓裂技術(shù)防治沖擊地壓，但均未取得防治效果，仍以傳統(tǒng)的井下局部弱化方式為主[3-5]。

為降低回采期間堅(jiān)硬頂板可能帶來的沖擊風(fēng)險(xiǎn)，保障煤炭資源的安全高效回采，陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司聯(lián)合孟村煤礦首次在401102工作面應(yīng)用地面水平井分段壓裂技術(shù)區(qū)域防治沖擊地壓，并取得階段性成果，填補(bǔ)了國內(nèi)同類型煤礦沖擊地壓超前區(qū)域治理的空白，實(shí)現(xiàn)了沖擊地壓由井下預(yù)防治理到地面源頭消沖的突破。

1 礦井概況

孟村煤礦位于陜西黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長礦區(qū)中西部，行政區(qū)劃隸屬于咸陽市長武縣，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量600萬t。井田唯一可采煤層為侏羅系延安組4#煤層。401盤區(qū)首個(gè)回采工作面401101工作面回采期間出現(xiàn)了多次沖擊地壓顯現(xiàn)，嚴(yán)重威脅人身安全[6]。

礦井未開拓的401102工作面南距401101工作面75m，西部切眼距離東部終采線長度約1600m，傾向長度180m；4#煤層底板標(biāo)高在+260～+310m之間，煤層傾角小于5°；4#煤層附近鉆孔揭露頂板埋深為686.86～737.31m，煤層厚度20.29～23.94m，平均厚度22.46m。根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測(cè)成果，孟村煤礦最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，在26～38MPa之間，局部區(qū)域應(yīng)力值大于30MPa，屬于高及超高應(yīng)力區(qū)。

2 煤層上覆地層特征

根據(jù)以往地質(zhì)報(bào)告和附近鉆孔揭露情況，401102工作面上覆地層巖性特征如下：

1)延安組：4#煤層頂板厚度27～39m，平均34m，巖性為淺灰～深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖夾炭質(zhì)泥巖及薄煤層。老頂為10～35m不等的單層砂巖或砂巖組合；直接頂為黑色泥巖，厚度1～10m。

2)直羅組：揭露厚度27～35m，平均厚度31m，上部為泥巖夾砂巖，下部為砂巖夾砂質(zhì)泥巖，底部為含礫中粗砂巖。底部砂巖厚度4～7m。

3)安定組：揭露厚度63～88m，平均厚度78m。巖性為砂質(zhì)泥巖、中～粗粒砂巖，底部發(fā)育一層砂巖層，厚度4.6～22.5m。

3 沖擊危險(xiǎn)因素分析

3.1 地質(zhì)因素

1)煤層埋深較大，孟村煤礦鉆孔揭示大部分區(qū)域4#煤層超過700m，煤巖層本身具有沖擊傾向性，已具備發(fā)生沖擊地壓的條件。

2)部分區(qū)域在安定組底部發(fā)育堅(jiān)硬含礫中粗砂巖，厚度10m左右，發(fā)生斷裂時(shí)極易誘發(fā)礦震型沖擊地壓。

3)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，401盤區(qū)已探明的斷層3條，褶皺5條，受采掘擾動(dòng)、采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力等因素影響，易造成應(yīng)力疊加。

3.2 開采技術(shù)條件

1)近年來，隨著彬長礦區(qū)各礦井下開拓的延伸、采場(chǎng)的打開，成煤時(shí)期沉積形成的硬厚砂巖頂板難以隨采隨垮，造成采空區(qū)大范圍懸頂，使采掘空間處于長期不穩(wěn)定狀態(tài)，成為目前礦井開采過程中誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害的主要原因之一。

2)對(duì)孟村煤礦發(fā)生在回采期間的沖擊地壓案例分析表明，工作面回采過后，煤層上方高位硬厚砂巖頂板大面積懸頂產(chǎn)生的采場(chǎng)集中靜載和突然斷裂產(chǎn)生的強(qiáng)烈動(dòng)載是誘發(fā)沖擊地壓的兩個(gè)重要因素，對(duì)沖擊地壓的發(fā)生影響較大[7，8]。

4 地面水平井分段壓裂防治沖擊地壓技術(shù)

4.1 技術(shù)原理

針對(duì)傳統(tǒng)煤層壓裂方法的缺點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)外對(duì)壓裂方法的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐，認(rèn)為采用目標(biāo)煤層頂板地面水平井分段壓裂技術(shù)是解決沖擊地壓的有效方法，即把煤層頂板作為目標(biāo)層，通過在目標(biāo)巖層中實(shí)施水平井，并在水平段井壁上均勻射孔后對(duì)煤層頂板進(jìn)行壓裂，在目標(biāo)巖層形成貫通的網(wǎng)狀裂隙，如圖1所示，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)巖層的壓裂卸壓，改善煤層頂板的應(yīng)力環(huán)境，在采掘前實(shí)現(xiàn)工作面范圍內(nèi)上覆堅(jiān)硬頂板的整體弱化改造，大幅降低沖擊地壓致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[9-11]。

4.2 防治技術(shù)措施

為實(shí)現(xiàn)401102工作面上覆巖層隨回采及時(shí)垮落，充分考慮井場(chǎng)布置的地形條件、頂板硬厚巖層展布形態(tài)、水平井水力壓裂裂縫擴(kuò)展范圍、已形成巷道的安全等因素，設(shè)計(jì)在401102工作面東、西側(cè)各布置1口水平井(MC-01L、MC-02L)，井眼軌跡布置在工作面中部偏北30m，沿工作面走向展布，如圖2所示。

由于采煤工作面長度約1.6km，而L型水平井水平段施工長度一般不超過1200m，為實(shí)現(xiàn)分段壓裂后401102工作面裂縫展布范圍滿覆蓋，設(shè)計(jì)水平段長度均為800m，兩口井壓裂段數(shù)分別為：MC-01L井16段、MC-02L井15段。

4.3 壓裂目標(biāo)層位

參考401102工作面附近104、179、M2-1、M3-2等鉆孔資料，距離4#煤層頂板54～72m(平均64m范圍內(nèi))的安定組底部發(fā)育一套含礫中粗砂巖，厚度10m左右，如圖3所示；根據(jù)以往巖石力學(xué)化驗(yàn)資料，該區(qū)域含礫中粗砂巖不易斷裂，是形成堅(jiān)硬頂板的主要巖層。根據(jù)壓裂裂縫形態(tài)模擬，裂縫單向延伸長度約170m，裂縫高度約35～45m，結(jié)合 401102 工作面老頂、直接頂巖性特征，考慮方案可實(shí)施性，將水平段布置在安定組底部含礫中粗砂巖層。

4.4 分段壓裂工藝優(yōu)選

1)根據(jù)國內(nèi)外水平井體積壓裂施工成功經(jīng)驗(yàn)，為更好地實(shí)現(xiàn)大排量體積壓裂及復(fù)雜縫網(wǎng)的壓裂目標(biāo)，優(yōu)選電纜泵送橋塞射孔聯(lián)作壓裂工藝技術(shù)[12]。

2)少簇和限流射孔工藝能夠有效地提高壓裂裂縫縫內(nèi)凈壓力，促進(jìn)人工壓裂裂縫在平面上的有效延伸和擴(kuò)展，達(dá)到壓裂裂縫縫長的預(yù)期效果。兩口水平井采用段間距50m，2簇射孔，簇間距15～25m，每簇1m，每米10孔的射孔參數(shù)對(duì)于壓裂層段比較合理。射孔位置選擇在伽馬值低、密度值低、聲波值高、固井質(zhì)量好、狗腿度低的位置。

3)大排量施工有利于縫內(nèi)凈壓力并促進(jìn)壓裂延伸，大液量有利于提高壓裂造縫效果和改造縫網(wǎng)體積范圍，因此采用10～12m3/min排量、1300～1500m3液量對(duì)于壓裂層段比較合理。

4)根據(jù)401102工作面壓裂情況，暫堵壓裂工藝適合目的層儲(chǔ)層，能夠有效地降低濾失、封堵天然裂縫，促進(jìn)主裂縫發(fā)育，極大程度地提高壓裂效果，促使縫長的延伸。因此，采用“高粘活性膠+2次暫堵”壓裂工藝或“高粘活性膠+交聯(lián)凍膠+1次暫堵”壓裂工藝，暫堵劑用量200kg/次。

5)根據(jù)401102工作面壓裂情況，加砂量35～40m3為最優(yōu)值，主要采用100目粉砂和40/70目石英砂，比例控制在3∶1～2∶1之間，可以起到明顯地降低液體濾失，同時(shí)促進(jìn)裂縫縫長延伸的作用。

5 沖擊地壓防治效果監(jiān)測(cè)分析

地面水平井分段壓裂期，利用地面微地震、井下微地震等監(jiān)測(cè)手段對(duì)壓裂期間人工裂縫的延伸范圍及井下圍巖的擾動(dòng)情況進(jìn)行全井段實(shí)時(shí)聯(lián)合監(jiān)測(cè)，相互驗(yàn)證人工裂縫延伸方位和長度，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)空間分布進(jìn)行分析研究，為礦井的安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

5.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

地面監(jiān)測(cè)采集站、檢波器采用覆蓋目的層地面投影為主布設(shè)，MC-01L井共布設(shè)31個(gè)不動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，MC-02L井共布設(shè)30個(gè)不動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)檢波器之間間隔80m；同時(shí)在壓裂區(qū)域布設(shè)井下微震，MC-01L井和MC-02L井采用7通道SOS和8通道ARAMIS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過統(tǒng)計(jì)整個(gè)礦井內(nèi)微震事件的震源位置、發(fā)生時(shí)間、釋放的能量，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)微震活動(dòng)的強(qiáng)弱和頻率，并結(jié)合微震事件分布的位置判斷潛在的礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)規(guī)律，通過識(shí)別礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)規(guī)律實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和預(yù)警，宏觀劃定危險(xiǎn)區(qū)域[13-15]。

5.2 地面微震監(jiān)測(cè)分析

MC-01L和MC-02L井在壓裂過程中，地面微震系統(tǒng)累計(jì)進(jìn)行了31段監(jiān)測(cè)，單段縫長81～340m，平均縫長268m；帶寬42～203m，平均帶寬80m；縫高37～59m，平均縫高50m。壓裂對(duì)煤層上方54m以上可能具有沖擊致災(zāi)作用的粗粒砂巖(厚10m左右)具有良好的致裂效果，壓裂期間井下部分瓦斯抽放鉆孔出水量較大，說明垂向裂縫擴(kuò)展效果較好。

將MC-01L和MC-02L共計(jì)31段的微震監(jiān)測(cè)數(shù)投影在401102工作面上，分析壓裂裂縫的整體空間分布特征。沿工作面走向方向上，MC-01L井設(shè)計(jì)壓裂范圍為401102工作面切眼前方220～957m(水平段著陸點(diǎn)位于原工作面切眼位置)，壓裂縫網(wǎng)形成范圍為工作面前方155～960m；MC-02L井設(shè)計(jì)壓裂范圍為401102工作面切眼前方1024～1790m(水平段陸點(diǎn)位于401102工作面終采線位置，終采線位于切眼前方1713m)，壓裂縫網(wǎng)形成范圍基本上位于壓裂區(qū)域內(nèi)，如圖4所示。從圖4可以看出，除切眼前方0～155m和960～1024m共計(jì)約220m范圍外，人工裂縫基本上有效覆蓋了401102工作面及其巷道兩側(cè)30m內(nèi)的煤柱區(qū)域，達(dá)到了壓裂區(qū)域內(nèi)目標(biāo)巖層的弱化改性。

5.3 井下微震監(jiān)測(cè)分析

MC-01L和MC-02L井壓裂期間井下微震系統(tǒng)累計(jì)監(jiān)測(cè)事件1749起，總能量2.5×106J。其中，E<102J及以下事件1106起，102J104J事件9起。兩口井壓裂期間井下監(jiān)測(cè)的微震事件分布區(qū)域遠(yuǎn)大于壓裂設(shè)計(jì)區(qū)，微震事件在東西方向的分布范圍為2390m，南北方向分布范圍為980m。單段壓裂期間造成東西方向影響范圍為119～1298m，南北方向影響范圍為151～592m。壓裂過程對(duì)井下圍巖的宏觀破裂具有明顯的誘發(fā)作用。以上區(qū)域在壓裂過程應(yīng)作為設(shè)置警戒范圍的依據(jù)，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)警。壓裂期間井下微震事件總體分布特征如圖5所示。

5.4 “井上下”微震監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

通過對(duì)MC-01L和MC-02L井地面微震監(jiān)測(cè)與井下微震監(jiān)測(cè)的結(jié)果對(duì)比分析，兩種監(jiān)測(cè)方式的監(jiān)測(cè)結(jié)果水平向分布具有相似性；縱向分布具有一定差異性，但反映壓裂效果均較明顯。通常情況下，地面監(jiān)測(cè)陣列相較于井下監(jiān)測(cè)能夠在水平方向上覆蓋足夠的監(jiān)測(cè)方位角，理論上地面監(jiān)測(cè)在水平方向上具有更高的定位精度[16]。同時(shí)，由于地面監(jiān)測(cè)陣列與壓裂區(qū)域相隔較遠(yuǎn)，地震波頻率和振幅存在較大衰減，且精確的地層速度模型無法獲得，因而地面監(jiān)測(cè)縱向定位會(huì)存在一定誤差。井下監(jiān)測(cè)陣列基本與壓裂微地震事件深度相近，根據(jù)檢波器時(shí)差可準(zhǔn)確定位微地震事件深度，理論上井下監(jiān)測(cè)在縱向上具有更高的定位精度。因此，可以結(jié)合地面微震監(jiān)測(cè)破裂事件的水平分布與井下微震監(jiān)測(cè)破裂事件的垂向分布進(jìn)行壓裂效果分析與評(píng)價(jià)。

6 結(jié) 論

1)孟村煤礦是國內(nèi)首家成功將地面水平井分段壓裂技術(shù)應(yīng)用于煤礦沖擊地壓防治領(lǐng)域的礦井，開創(chuàng)了煤炭行業(yè)在“井上下”立體聯(lián)合治理沖擊地壓的先河。研究表明，地面水平井分段壓裂技術(shù)具有壓裂排量大、覆蓋范圍廣、限制條件少、時(shí)效性長、減少井下作業(yè)人員等優(yōu)點(diǎn)，與井下局部防沖治理措施相比具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了沖擊地壓由井下預(yù)防治理到地面源頭消沖的突破。

2)將水平段布置在4#煤層上方60～100m范圍內(nèi)單層厚度超過10m的堅(jiān)硬巖層，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)巖層的壓裂卸壓，有效改善煤層頂板的應(yīng)力環(huán)境。壓裂期間，采用全井段的地面微地震實(shí)時(shí)裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和井下微震監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)相結(jié)合的方法有效指導(dǎo)壓裂實(shí)施和壓后效果評(píng)價(jià)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，地面水平井分段壓裂有效促進(jìn)了壓裂區(qū)域高應(yīng)力集中區(qū)能量的釋放，對(duì)目標(biāo)巖層弱化改造效果較好。