井下定向長鉆孔水力壓裂頂板沖擊地壓防治研究

王 冰，王東杰

(陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

隨著開采深度的增加，沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量呈逐年增加趨勢，甚至在很多淺埋深的礦井也出現(xiàn)了不同情況的沖擊顯現(xiàn)[1 -3]。而在影響沖擊地壓的地質(zhì)影響因素中，堅(jiān)硬頂板往往占據(jù)主要地位。目前對堅(jiān)硬頂板的處理方法主要為頂板深孔爆破，但是頂板深孔爆破工藝存在安全風(fēng)險大、操作難度高、易誘發(fā)次生災(zāi)害等不足[4 -7]。而水力壓裂可削弱巖層的整體性和穩(wěn)定性，并定向切割頂板巖層，通過人為的方法削弱煤巖體承載的高應(yīng)力，使巷道或工作面處于低應(yīng)力區(qū)域[5 -8]。水力壓裂技術(shù)具有安全性高、工程量小、成本低及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)在彬長礦區(qū)、神東礦區(qū)、神南礦區(qū)的檸條塔煤礦、紅柳林煤礦推廣應(yīng)用，并取得了良好的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益[9 -14]。

1 礦井背景

陜西彬長礦區(qū)孟村煤礦的中央大巷受X1向斜(延展1 455 m)、DF29斷層(H>30 m)和B2背斜(延展2 980 m)等地質(zhì)構(gòu)造影響，局部巷道應(yīng)力集中程度較高，自2018年以來該區(qū)域曾發(fā)生過7次不同程度的沖擊地壓，尤其2020年5月24日在中央二號輔運(yùn)大巷發(fā)生沖擊地壓事故(監(jiān)測能量2.37×105J)，造成6人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失100萬元，亟需從源頭上解決該區(qū)域的沖擊地壓問題。該礦主采4號煤層，埋深約為700～900 m，埋深已遠(yuǎn)超過當(dāng)?shù)孛禾餂_擊地壓臨界深度，且該煤層經(jīng)鑒定為具有強(qiáng)沖擊傾向性。5條中央大巷均布置在4號煤層中，各大巷間距35 m。中央大巷附近布置有401101工作面，401101運(yùn)順距離中央二號回風(fēng)大巷200 m，具體布置如圖1所示。為能夠快速、大范圍弱化構(gòu)造區(qū)附近的堅(jiān)硬頂板巖層，釋放頂板堅(jiān)硬巖層集聚的彈性能，削弱周邊采空區(qū)活動對中央大巷的影響，該礦采用了井下定向長鉆孔水力壓裂技術(shù)對巷道上方的堅(jiān)硬巖層實(shí)施弱化改性。

圖1 礦井中央大巷平面布置Fig.1 Plan layout of central main roadway of coal mine

2 定向長鉆孔水力壓裂頂板方案

2.1 壓裂層位及鉆孔布置

根據(jù)中央大巷構(gòu)造區(qū)所處地質(zhì)構(gòu)造情況、巷道布置參數(shù)及微震事件震源位置，本次大巷壓裂層位確定布置在距巷道頂板45 m高度的粗粒砂巖層內(nèi)。設(shè)計在中央膠帶運(yùn)輸大巷596 m里程附近施工專用鉆場、壓裂區(qū)，卸壓方案設(shè)計布置5個鉆孔，其中孔1、孔2、孔3、孔4分別位于大巷區(qū)段煤柱上方，孔間距約40 m，孔5位于大巷保護(hù)煤柱上方，與孔4間距約70 m。鉆孔布置如圖2所示，鉆孔設(shè)計參數(shù)見表1。

2.2 壓裂施工流程

設(shè)計采用大流量壓裂泵進(jìn)行后退式分段水力壓裂，分段距離15 m左右，分段壓裂時間不小于30 min，選擇清水作為壓裂液。定向鉆孔裸眼分段壓裂采用雙向錨定擴(kuò)張式裸眼封隔器、投球式安全接手、壓差式開啟滑套以及坐封球座等工具下入孔內(nèi)，使用裸眼封隔器封隔頂板段，實(shí)現(xiàn)壓裂作業(yè)孔段橫向分段隔離，可以實(shí)現(xiàn)全孔段完全壓裂作業(yè)。鉆孔內(nèi)壓裂工具組合如圖3所示。

圖2 深孔水力壓裂1#～5#孔平面布置及剖面示意Fig.2 Plane layout and profile of No.1～No.5 hole of deep hole hydraulic fracturing

表1 定向鉆孔設(shè)計參數(shù)

壓裂施工設(shè)備包括：雙履帶式全液壓定向鉆機(jī)(ZYWL-6000DS)3700 mm×1 450 mm×2 100 mm(長×寬×高)；電機(jī)功率75 kW，電壓等級660/1 140 V；履帶泥漿泵車2 140 mm×1 150 mm×1 450 mm(長×寬×高)；螺桿馬達(dá)2根(cctegxian-89-5，1.25°)，電機(jī)功率55 kW，電壓等級660/1 140 V；高韌性螺旋鉆桿(φ73 mm，L=3.0 m)230根；胎體式復(fù)合片鉆頭(FTP96四翼平底定向鉆頭)6只；加強(qiáng)型螺旋擴(kuò)孔鉆頭(PDCKφ153)4只；水變(φ73 mm)4個。

施工流程：固定鉆機(jī)→連接壓裂工具串→開動壓裂泵→管路測壓→封隔壓裂→穩(wěn)壓注水→停泵放水與檢測→退管柱→下分段壓裂作業(yè)。

圖3 深孔水力壓裂鉆孔內(nèi)壓裂工具組合Fig.3 Combination of fracturing tools in deep hole hydraulic fracturing drilling hole

3 壓裂效果數(shù)值模擬

考慮B1背斜、X1背斜和DF29斷層組成的復(fù)合構(gòu)造區(qū)，應(yīng)用FLAC3D軟件，模擬孟村煤礦5條中央大巷堅(jiān)硬頂板水平井壓裂。根據(jù)M4-2號鉆孔測得孟村煤礦大巷位置煤層厚度為22 m。大巷布置在煤層中部，底煤厚度平均10 m。直接頂砂質(zhì)泥巖厚度約為3.5 m?；卷敒榧?xì)粒砂巖厚度約8 m，煤層上方20 m賦存有粗砂巖，巖層厚度達(dá)到17 m以上。鋁質(zhì)泥巖底板模擬厚度約為7 m，下層底板泥巖厚度為10 m。根據(jù)中央大巷煤層厚度、頂板巖性和試驗(yàn)強(qiáng)度，以及水平井壓裂層的選擇，頂板建模至煤層上方的粗砂巖關(guān)鍵層，加上褶曲的起伏和斷層導(dǎo)致的巖層錯動，共計巖層模擬厚度80 m。工作面布置模型如圖4所示。

圖4 工作面布置模型Fig.4 Working face layout model

根據(jù)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)分析，對比如圖5(a)和(b)所示，堅(jiān)硬頂板壓裂后，大巷間煤柱中的應(yīng)力集中較壓裂前下降，煤柱應(yīng)力由38 MPa下降至36.5 MPa；煤柱應(yīng)力由39.7 MPa下降至38.7 MPa；煤柱應(yīng)力由37.1 MPa下降至36.2 MPa。水平井壓裂后，煤巖體的結(jié)構(gòu)改變，系統(tǒng)更容易計算平衡，相同的時步下，壓裂后的煤巖層結(jié)構(gòu)更快地達(dá)到平衡。可以認(rèn)為堅(jiān)硬頂板壓裂后，大巷和頂板中的壓裂空腔共同形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，能夠以較小的應(yīng)力維持平衡。

圖5 大巷煤柱應(yīng)力集中模擬Fig.5 Stress concentration simulation diagram of main roadway coal pillar

4 基于現(xiàn)場監(jiān)測的壓裂效果分析

4.1 壓裂效果檢驗(yàn)方案

為了檢驗(yàn)中央大巷頂板水力壓裂卸壓效果，在壓裂區(qū)域增設(shè)微震、地音探頭，并安設(shè)錨桿(索)測力儀持續(xù)監(jiān)測頂板壓裂前、壓裂過程中及壓裂后整個過程煤巖體震動活動性及巷道支護(hù)力等。監(jiān)測設(shè)備安裝位置如圖6所示。

圖6 微震、地音、錨桿(索)測力計等監(jiān)測設(shè)備布置Fig.6 Layout of monitoring equipment such as microseism，geosound probe and anchor rod(cable)dynamometer

4.2 壓裂效果分析

4.2.1 水壓監(jiān)測

采用專用記錄儀監(jiān)測水力壓裂過程中水壓變化曲線，壓裂過程中的最高水壓一般為 12～31 MPa，說明不同地點(diǎn)頂板的強(qiáng)度和完整性不同，局部巖層堅(jiān)硬、致密。圖7為5#孔壓裂過程中水壓變化曲線，從壓裂曲線可看出：正常情況下，壓裂開始 10～15 min壓裂點(diǎn)首個裂縫被壓開，開縫時初始壓力達(dá)到20 MPa以上，附近已發(fā)生過沖擊顯現(xiàn)或地質(zhì)異常的區(qū)域初始壓裂小于20 MPa；首個裂隙壓開的瞬間，水會即刻滲入裂隙，壓力會有一個明顯的突降，壓裂水充滿裂隙后壓力逐漸恢復(fù)，到一定壓力值后裂隙被逐步壓開，在足夠流量及泵壓保障下，如此循環(huán)著多個加壓和相應(yīng)壓力釋放的過程，在此過程中巖層裂縫被逐步壓開；壓裂孔圍巖完整性較好時，壓裂曲線呈現(xiàn)鋸齒狀，說明巖層在發(fā)生反復(fù)張拉破壞，裂紋持續(xù)穩(wěn)定擴(kuò)展，壓裂過程長時間保壓能很好保證壓裂效果。

圖7 5#孔壓裂過程水壓變化曲線Fig.7 Water pressure change curve of 5# hole during fracturing

4.2.2 微震監(jiān)測

統(tǒng)計2020年7月1日—8月17日微震事件活動趨勢，如圖8所示，可以得出如下規(guī)律：每次壓裂施工結(jié)束后微震活動性明顯降低，尤其能量釋放處在較低水平，經(jīng)歷6次壓裂后，中央大巷頂板圍巖活動呈現(xiàn)明顯的逐漸下降趨勢；6次壓裂施工過程中微震活動性均有所增加，尤其在25日1#孔壓裂增加泵壓后，微震活動明顯出現(xiàn)先高頻次低能量→后低頻次高能量的趨勢，表明壓裂過程中頂板圍巖的裂隙發(fā)育、貫通及圍巖破裂的卸壓過程；中央大巷開展頂板壓裂后整體上微震活動低于壓裂前(7月1日—7月13日)。截止到2022年1月份，中央大巷復(fù)合構(gòu)造壓裂區(qū)內(nèi)再沒有發(fā)生過沖擊顯現(xiàn)或4次方以上高能事件，整體壓裂效果較好。

圖8 中央大巷壓裂前后微震頻次-能量變化趨勢Fig.8 Variation trend of microseismic frequency-energy before and after fracturing in central main roadway

選取壓裂前50 d(5月24日—7月12日)和壓裂后50 d(8月16日—10月4日)微震數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得到：微震事件由79次降低至44次，降低了44.3%，總能量由4.04×105J降至6.73×104J，降低了83.3%，如圖9所示，表明中央大巷構(gòu)造區(qū)應(yīng)力得到有效釋放。

4.2.3 地音監(jiān)測

對1#～5#壓裂孔壓裂前后地音數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，壓裂后中央二號輔運(yùn)大巷8#地音探頭監(jiān)測地音頻次由20 646次降低至2 965次，降低了85.6%，總能量由6.32×106J降至1.50×106J，降低了76.3%；9#地音探頭監(jiān)測地音頻次由19 345次降至1 854次，降低了90.4%，總能量由5.17×106J降至1.26×106J，降低了75.6%。可以得出壓裂施工期間單位時間地音能量明顯高于非壓裂時間，而且是持續(xù)保持較高的水平。圖10為壓裂過程中中央一號輔運(yùn)大巷的27#地音探頭活動性變化趨勢。

4.2.4 錨桿(索)應(yīng)力變化情況

錨桿(索)測力計無明顯變化，錨桿(索)屬于主動支護(hù)，錨桿(索)受力的降低往往是在錨固體受損的情況下出現(xiàn)，受力曲線沒有降低說明水力壓裂并沒有導(dǎo)致巷道支護(hù)能力下降，這對防沖是有利的。

圖9 中央大巷構(gòu)造區(qū)微震能量及頻次變化規(guī)律Fig.9 Variation law of microseismic energy and frequency in central main roadway structural area

圖10 一號輔運(yùn)大巷27#地音探頭活動趨勢Fig.10 Activity trend of 27# geasound probe in No.1 auxiliary transportation roadway

5 結(jié)語

針對孟村煤礦中央大巷復(fù)合構(gòu)造區(qū)應(yīng)力集中、沖擊危險較高的問題，采取中央大巷構(gòu)造區(qū)定向長鉆孔水力壓裂措施，通過壓裂降低厚硬巖層的強(qiáng)度和完整性，能量傳遞由硬傳遞變?yōu)檐泜鬟f，大巷構(gòu)造區(qū)沖擊危險性持續(xù)降低，表現(xiàn)為微震活動呈現(xiàn)“低頻低能”狀態(tài)，避免較高程度的應(yīng)力集中，從而降低誘發(fā)沖擊啟動的載荷源。數(shù)據(jù)分析表明，定向長鉆孔水力壓裂對中央大巷復(fù)合構(gòu)造區(qū)卸壓效果顯著，大幅降低沖擊危險，取得良好效果，達(dá)到保障安全生產(chǎn)的目的，為類似條件巷道沖擊地壓防治積累了經(jīng)驗(yàn)。