掘進工作面頂板水力壓裂防災技術應用研究

王宇翔，陳鑫源，雷東記

(1.潞安化工集團 五陽煤礦，山西 襄垣 046205； 2.河南省煤炭科學研究院有限公司，河南 鄭州 450001；3.河南理工大學，河南 焦作 454000)

隨著開采深度的加深與開采高度的增大，礦井煤炭開采環(huán)境及巖土力學環(huán)境愈加復雜，地應力、瓦斯含量均有顯著提高，致使礦井沖擊地壓危險性及煤層開采突出危險性明顯增大，嚴重威脅著煤礦的安全高效生產(chǎn)[1]。地應力與瓦斯壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象以頂板、圍巖強礦壓災害事故最為顯著，巷道頂板對煤層賦存及采場覆巖運動往往有著重大影響。煤層頂板較大地應力與瓦斯壓力直接影響災害的發(fā)生發(fā)展，從而迫使工作面引發(fā)冒頂、壓架、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等強礦壓現(xiàn)象，甚至誘發(fā)瓦斯超限與爆炸等煤礦災害，對工作面安全生產(chǎn)威脅極大。尤其開采特厚煤層時，覆巖活動空間大、運動范圍廣，引起的危害則更大且更復雜[2-5]。因此，合理的監(jiān)測預警工作面突出危險性是災害治理中的關鍵一環(huán)，隨著信息化技術的不斷發(fā)展，近年來國內(nèi)外眾多學者都開展了煤巖體破壞機理、預測和防治技術的研究，并取得了一定進展，其中，微震監(jiān)測技術被廣泛應用于現(xiàn)場煤巖動力災害監(jiān)測過程中，并取得了重大研究成果[6-7]。

現(xiàn)階段，煤巖動力災害的防治工作已成為煤礦安全生產(chǎn)工作的重點，水力化措施是防治煤與瓦斯突出的有效途徑，通過改變煤巖體中的瓦斯和地應力等因素實現(xiàn)煤巖動力災害防治工作[8]。常見的水力化卸壓增透技術方法有水力壓裂、水力沖孔、水力割縫、水力擠出[9]。水力壓裂是集卸壓、增透于一體的災害防治技術，頂板水力壓裂主要是通過向巷道頂板注入高壓水使頂板開裂而形成水壓裂縫，從而破壞堅硬頂板的整體性，降低堅硬頂板的強度，以實現(xiàn)弱化頂板強度和縮短其破斷步距，進而實現(xiàn)對工作面巷道強礦壓現(xiàn)象的控制及治理[10]。五陽煤礦8005掘進工作面屬于高瓦斯、高地應力工作面，日常掘進期間頂板圍巖存在頻繁的動力現(xiàn)象，為保證生產(chǎn)安全進行，本文研究了水力壓裂增透卸壓頂板圍巖試驗，利用窺視儀觀測壓裂施工效果，通過對比頂板水力壓裂前后工作面、回風流、二運瓦斯?jié)舛燃拔⒄鹗录?，進而分析頂板水力壓裂措施的減災效果。

1 掘進工作面頂板水力壓裂試驗

1.1 試驗地點及設備

五陽煤礦頂板水力壓裂試驗地點定為8005回風巷掘進工作面，主要操作步驟包含：頂板圍巖水力壓裂卸壓，形成明顯裂縫；頂板加沙，擴展裂縫，減緩閉合，延長卸壓效果；邊掘邊抽鉆孔：煤層區(qū)域卸壓；水力壓裂效果監(jiān)測，利用瞬變電磁儀探測壓裂頂板電阻率；頂板水力壓裂現(xiàn)場試驗過程中主要設備包括ZDY4500LXY煤礦用履帶式液壓鉆機、BQWL200型清水泵站、水箱、壓力表、流量表等(圖1)。

圖1 壓裂試驗設備Fig.1 Fracturing test equipment

1.2 試驗工藝參數(shù)

根據(jù)五陽煤礦8003回巷掘進工作面實際情況，為保證頂板水力壓裂技術順利開展，規(guī)定巷道每間隔70 m預留1個鉆場，試驗過程中，在鉆場內(nèi)布置水力壓裂孔及觀測孔(檢驗孔)2種類型的鉆孔，其中有水力壓裂孔1個，觀測孔3個，方位角17°，傾角23°，控制頂板以上30 m，巷道一側(cè)30 m；布置觀測孔用于檢驗壓裂裂縫延展范圍和砂粒轉(zhuǎn)移范圍；壓裂方式為全孔壓裂，封孔段為距孔口25 m，距煤層12 m(保證足夠的抵抗巖層，防止壓穿煤層)，壓裂壓力10 MPa；加沙量為1 m3，根據(jù)后續(xù)鉆孔窺視，檢驗孔檢驗情況再進行增加或減少。水力壓裂孔布置如圖2所示。

圖2 水力壓裂孔布置Fig.2 Layout of hydraulic fracturing holes

1.3 水力壓裂防災基本原理

煤層頂板煤巖由諸多復雜的礦物質(zhì)組成，水力壓裂過程中，受水滲透作用的影響，其頂板煤巖結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)將發(fā)生明顯變化，首先部分巖土礦物遇水膨脹，致使巖體礦物顆粒的黏結(jié)力降低，強度降低；其次，煤巖屬于多孔介質(zhì)材料，內(nèi)部存在固有缺陷，在水壓作用下，其內(nèi)部物質(zhì)顆粒間的摩擦、應力會出現(xiàn)不同程度的衰減，且在水的滲流作用下，煤巖內(nèi)部節(jié)理、裂隙進一步擴展、貫通，整體結(jié)構(gòu)受到破壞，強度也會降低。頂板水力壓裂技術主要是通過水壓及水滲流作用影響煤巖強度參數(shù)，實現(xiàn)對堅硬頂板的弱化控制，通過壓裂作業(yè)切斷上方頂板與實體煤側(cè)頂板連接，切斷上覆巖層應力向煤柱側(cè)傳遞的通道，切斷應力的傳播途徑，從而實現(xiàn)應力的轉(zhuǎn)移卸壓，達到對工作面巷道的保護效果。頂板水力壓裂技術就是將大量含沙的高壓水注入煤體，迫使煤體發(fā)生變形破裂形成貫通裂隙，既可以有效提高瓦斯抽放效率，增加煤層滲透性，同時也能改變煤的物理力學性質(zhì)，增加煤體塑性，以減弱其積蓄能量，并減緩其動力失穩(wěn)時的能量釋放速率，從而起到防治煤與瓦斯突出和沖擊地壓的作用。

根據(jù)頂板巖性及厚度設計合理的鉆孔位置、范圍和層位，在空間和時間上提前實施有效的水力預裂，預先切斷關鍵層的應力及彈性勢能傳播路徑是防治煤巖動力災害的關鍵。

2 掘進工作面頂板水力壓裂試驗分析

2.1 頂板水力壓裂現(xiàn)場記錄分析

在壓裂孔周圍布置觀測孔，壓裂過程中如果觀測孔有水冒出，可大致確定壓裂的范圍，同時還在觀測孔中通過窺視儀觀測壓裂后裂紋的方向；可進行全面、系統(tǒng)的礦壓監(jiān)測，包括頂板及兩幫位移與離層、錨桿錨索受力，通過處理與分析礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，評價水力壓裂控制頂板的效果。1號觀測孔方位角為60°，傾角為-3°，深度為120 m;2號觀測孔方位角為90°，傾角為-3°，深度為120 m;3號觀測孔方位角為120°，傾角為-3°，深度為120 m。頂板水力壓裂鉆孔平面如圖3所示。

圖3 頂板水力壓裂鉆孔平面Fig.3 Drilling plan of roof hydraulic fracturing

掘進工作面鉆場頂板水力壓裂鉆孔，封孔壓力32 MPa，壓裂壓力10 MPa，保持10 MPa壓裂壓力持續(xù)注水90 min，共注水50 m3后，開始卸壓放水，放水時間持續(xù)80 min，共放出水量2 m3，壓裂成功。

2.2 頂板水力壓裂煤層視電阻率分析

瞬變電磁儀適用于煤礦掘進工作面超前預測預報、巷道側(cè)幫及頂?shù)装搴刭|(zhì)體探查、回采工作面及其頂?shù)装甯凰栽u價，YCS100K礦用本安型瞬變電磁儀如圖4所示。

圖4 YCS100K礦用本安型瞬變電磁儀Fig.4 YCS100K mine intrinsically safe transient electromagnetic instrument

煤巖自身視電阻率較高，而水相對而言則屬于低阻材料，頂板水力壓裂過程水壓會促使煤巖發(fā)生變形破裂，導致裂隙發(fā)生延伸、擴展、分岔、貫通現(xiàn)象，從而使得壓裂水通過裂隙滲透進入煤巖內(nèi)部，煤層視電阻率隨含水量的增加而減小，最終形成低阻異常區(qū)域，換言之，水力化措施后，勢必會造成煤體視電阻率發(fā)生顯著變化。因此通過利用YCS100K 礦用本安型瞬變電磁儀監(jiān)測頂板水力壓裂后煤層視電阻率變化，從而判斷水力壓力措施效果是可行的，五陽煤礦8005回風巷臨近鉆場施工頂板水力壓裂措施后的煤層視電阻率如圖5所示，此次視電阻率等值線圖中顏色由淺至深代表了阻值由大到小。

由圖5(a)可知，煤層視電阻率總體上隨距離的延伸及深度的加深而逐漸減小，僅有1處孤立低阻區(qū)域，其范圍較小，大致在沿測點推進方向0～20 m、深度50～80 m的區(qū)域，與頂板水平方向成3°～15°(逆時針方向)。低阻異常區(qū)以70 m深度為軸線，視電阻率沿深度兩側(cè)方向依次增大，對比頂板水力壓裂參數(shù)可知，二者在一定程度上較為吻合，這也從側(cè)面驗證了視電阻率變化與壓裂措施存在一定關系。由圖5(b)可知，視電阻率低阻異常區(qū)形態(tài)表現(xiàn)為2組孤立低阻區(qū)域的復合，其范圍相對較大，2個組孤立低阻區(qū)域大致在沿測點0～20 m，深度分別在30～55 m、65～85 m的區(qū)域，與頂板水平方向成5°～15°(逆時針方向)。整個低阻復合區(qū)相對深度60 m處較為對稱，視電阻率沿各組中心深度兩側(cè)方向依次增大，對比頂板水力壓裂參數(shù)可知，二者在一定程度上較為吻合。與頂板正上方視電阻率變化圖不同的是，頂板60°方向視電阻率阻值總體上低于正上方，尤其是在沿測點方向超過30 m，深度超過80 m之后更明顯，視電阻率阻值變化說明工作面前方頂板水力壓裂效果優(yōu)于測點上方頂板，與壓裂工藝吻合，效果得以顯現(xiàn)。

圖5 頂板視電阻率顯現(xiàn)Fig.5 Roof apparent resistivity display

綜上所述，通過分析8005回風巷掘進工作面頂板正上方與頂板60°方向的視電阻率顯現(xiàn)規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場水力壓裂工藝及后期施工驗證，證明了瞬變電磁驗證水力壓裂效果的可行性。

2.3 頂板水力壓裂治災效果分析

(1)瓦斯、煤炮、微震響應頻次分析。高瓦斯高地應力巷道掘進過程中，僅采用底板穿層鉆孔預抽、邊掘邊抽卸壓等手段，不能很好地解決瓦斯及圍巖動力事件的頻次及強度，卸壓效果不明顯，掘進期間，圍巖動力事件大多發(fā)生10次/排。為此，采用頂板水力壓裂對掘進范圍內(nèi)的煤體及頂板進行卸壓，減少瓦斯及圍巖的動力災害，保證巷道安全高效掘進。提取8005回風巷掘進工作面頂板壓裂前后瓦斯?jié)舛?、當班煤炮響應次?shù)及微震事件次數(shù)進行統(tǒng)計分析，由此驗證頂板水力壓裂治災效果，具體情況如圖6所示。

圖6 頂板壓裂前后瓦斯、煤炮、微震響應Fig.6 Gas,coal gun and microseismic response before and after roof fracture

根據(jù)頂板水力壓裂前后瓦斯、煤炮、微震響應圖可以發(fā)現(xiàn)：瓦斯?jié)舛取⒚号陧憫螖?shù)、微震事件在頂板壓裂前后發(fā)生劇烈變化，壓裂前割煤瓦斯?jié)舛燃爸ёo瓦斯?jié)舛绕毡樵?.4%～0.5%、0.2%～0.3%，壓裂后分別在0.2%～0.3%、0.1%～0.2%波動，同比下降40%左右(按分段平均值計算)；頂板壓裂前煤炮當班響應次數(shù)在7次左右，壓裂后當班煤炮響應平均次數(shù)為1，同比下降85%，煤巖動力災害顯現(xiàn)明顯降低；微震事件頂板壓裂同比下降76%。

(2)頂板水力壓裂微震事件頻域分析。8003回巷內(nèi)微震監(jiān)測系統(tǒng)頂板壓裂過程時間段微震事件數(shù)量整體呈現(xiàn)大幅度下降的趨勢，可見水力壓裂對煤層進行卸壓增透，巷道整體趨于穩(wěn)定狀態(tài)，微震事件也大大減少。又對水力造穴后微震事件波形進行時域和頻域分析，如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)水力造穴后微震信號波形振幅大幅度降低，多為連續(xù)小振幅事件，小波包能量大多維持在104～105J。通過傅里葉變換得到信號的頻率成分與水力造穴前相比也有所降低，主頻明顯降低，又通過S變換頻域分析發(fā)現(xiàn)，水力造穴后圍巖動力事件主頻成分均較低，多數(shù)為掘進過程中的小型煤巖掉落引起，不會影響煤巷正常掘進。可見解危措施執(zhí)行后巷道煤巖動力事件強度和頻率都有所改善，90%的煤巖動力事件都不會對巷道掘進工作造成影響，也不危害工作人員生命安全及巷道設施安全。

圖7 微震頻域分析Fig.7 Frequency domain analysis of microseisms

3 結(jié)論

(1)確定了一套頂板水力壓裂技術工藝流程及參數(shù)，多方法、多設備相結(jié)合增加試驗結(jié)果的可靠性。

(2)高瓦斯、高地應力掘進工作面頂板水力壓裂前后，巷道煤層瓦斯、煤炮、微震事件呈顯著下降趨勢，瓦斯?jié)舛?、煤炮、微震事件響應頻次同比下降分別為40%、85%、76%。

(3)采用水力壓裂對頂板進行卸壓增透，分析驗證水力壓裂對煤巖動力微震事件的影響效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水力壓裂后煤巖動力微震事件的強度、頻次和能量均有所下降，對礦井安全生產(chǎn)具有明顯效果。