特厚煤層地面L 型水平井分段壓裂技術(shù)應(yīng)用研究

門(mén) 鴻，趙華全，竇桂東，賈增林，高永剛，嚴(yán) 斌，謝 非，武 亮

（1.陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司，陜西 彬州 713500；2.陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000；3.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013）

沖擊地壓災(zāi)害目前是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。近年來(lái)，在沖擊地壓災(zāi)害治理措施上，有大孔徑卸壓、煤層爆破卸壓、頂板爆破預(yù)裂以及井下超長(zhǎng)鉆孔水力壓裂等技術(shù)，但都只局限于對(duì)煤層或煤層上方中低位頂板局部或小區(qū)域進(jìn)行預(yù)卸壓，目前，煤層上方強(qiáng)度大、破斷步距大、影響范圍廣以及力學(xué)行為復(fù)雜的高位大面積堅(jiān)硬頂板是引發(fā)大面積頂板沖擊的主要因素之一。

針對(duì)特厚沖擊地壓煤層開(kāi)采，謝和平等[1]揭示了圍巖巷道圍巖采動(dòng)應(yīng)力環(huán)境及采動(dòng)力學(xué)特征，形成了卸壓開(kāi)采、加強(qiáng)支護(hù)、預(yù)裂弱化為一體的防治技術(shù)手段；潘俊鋒等[2-3]提出了“人造解放層”防沖理論，為地面水平井分段壓裂奠定了理論基礎(chǔ)，以提供沖擊啟動(dòng)力源的硬厚頂板為靶點(diǎn)，開(kāi)展千米順層鉆孔區(qū)域壓裂的區(qū)域防沖技術(shù)，圍繞堅(jiān)硬頂板預(yù)裂弱化方面，代表性的有水力壓裂、鉆孔爆破等技術(shù)，目前在彬長(zhǎng)礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用并取得了良好的實(shí)踐效果。近年來(lái)，針對(duì)特厚煤層開(kāi)采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)特征及頂板破斷形態(tài)[4-7]，以及大巷群[8]面臨的沖擊問(wèn)題，專(zhuān)家學(xué)者通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合進(jìn)行了深入研究分析；同時(shí)，針對(duì)陜北礦區(qū)淺埋煤層開(kāi)采期間及大同礦區(qū)[4，9-11]堅(jiān)硬難垮落頂板采取深孔松動(dòng)爆破及井下頂板水力壓裂進(jìn)行了研究分析，部分研究成果確定了關(guān)鍵層位的破斷及垮落規(guī)律；對(duì)井下長(zhǎng)鉆孔水力壓裂后巖層的裂縫發(fā)育效果[12]、巷道上覆巖層頂板預(yù)卸壓[13]、非穩(wěn)定激勵(lì)產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)[14]以及數(shù)值模擬壓裂后的效果[15-16]等均進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，采用井下長(zhǎng)鉆孔壓裂，對(duì)回采工作面的周期來(lái)壓步距以及巖層弱化程度[17]均有一定的作用，但只僅限于局部或小區(qū)域范圍；針對(duì)地面壓裂技術(shù)的發(fā)展和研究，國(guó)內(nèi)外石油、天然氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域?qū)W者們也進(jìn)行了大量的研究[18-21]，給出了地應(yīng)力環(huán)境條件下的水力壓裂擴(kuò)展規(guī)律，并且采用多種監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究。

1 地面水平井分段壓裂技術(shù)

1.1 研究背景

彬長(zhǎng)礦區(qū)礦井開(kāi)采主要為深部開(kāi)采，在開(kāi)采過(guò)程中主要受高位厚硬覆巖影響，容易形成大面積懸頂，當(dāng)懸頂面積達(dá)到極限時(shí)，高位厚硬巖體發(fā)生斷裂，隨之巖體內(nèi)彈性能大量釋放，引發(fā)強(qiáng)沖擊礦壓及震動(dòng)，隨之造成巖體動(dòng)力災(zāi)害。

在眾多沖擊地壓災(zāi)害防治探索中，采用大孔徑卸壓、煤體爆破卸壓、頂板巖層爆破預(yù)裂等措施，雖然已取得了良好的防治效果，但高位大面積厚硬巖體仍然是工作面回采過(guò)程中成為發(fā)生高動(dòng)載力源隱患。因此，將煤層上方高位頂板進(jìn)行區(qū)域大面積頂板弱化改性是防止工作面回采期間發(fā)生沖擊的有效途徑。

1.2 地面L 型水平井分段壓裂思路

特厚煤層開(kāi)采后覆巖運(yùn)移范圍廣，不同層位堅(jiān)硬巖層破斷規(guī)律、結(jié)構(gòu)特征及其礦壓作用強(qiáng)度隨之不同。近場(chǎng)主要呈現(xiàn)為“懸臂梁+砌體梁”結(jié)構(gòu)特征，造成工作面大小周期來(lái)壓。而遠(yuǎn)場(chǎng)主要分布在基本頂范圍以上的堅(jiān)硬巖層，破斷形態(tài)布局大，影響范圍廣，易造成工作面強(qiáng)礦壓及沖擊動(dòng)力顯現(xiàn)，造成巷道變形等現(xiàn)象。

地面水平井分段壓裂技術(shù)是煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中普遍使用的一種增產(chǎn)技術(shù)，其作用機(jī)理是將壓裂液通過(guò)液壓泵泵入儲(chǔ)層，使得在目標(biāo)層內(nèi)形成具有一定幾何尺寸和導(dǎo)流能力的人工增透裂縫，通過(guò)地面對(duì)高位堅(jiān)硬頂板實(shí)施壓裂改性，降低巖層的整體性及其破斷強(qiáng)度，達(dá)到控制強(qiáng)礦壓的目的，進(jìn)而降低工作面回采過(guò)程中的沖擊風(fēng)險(xiǎn)。

2 巖層破斷機(jī)理

煤層頂板地面水平井壓裂主要受煤層頂板破斷及采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)影響，因此煤層地面分段壓裂有其特殊性，頂板壓裂層位、井口布置、壓裂參數(shù)及裂縫擴(kuò)展監(jiān)控等均對(duì)壓裂效果產(chǎn)生直接影響。

地面水平井分段壓裂裂縫形態(tài)可分為3 種[22]：①水壓裂縫降低巖層的有效厚度，將完整巖層分為2 層或若干層；②水壓裂縫在厚硬巖層內(nèi)形成垂直裂縫面或在某一集中區(qū)域自上而下形成水平裂縫面將巖層劃分為2 段；③地面壓裂后形成若干垂直裂縫面，將厚硬巖層沿水平方向（平行工作面推進(jìn)方向）分為若干段。地面壓裂后上覆厚硬巖層不同賦存狀態(tài)如圖1。

圖1 地面壓裂后上覆厚硬巖層不同賦存狀態(tài)示意圖Fig.1 Schematic diagram of different occurrence states of thick and hard overlying strata after surface fracturing

2.1 水平裂縫對(duì)頂板破斷弱化的影響

假設(shè)遠(yuǎn)場(chǎng)堅(jiān)硬巖層長(zhǎng)度為l[23]。根據(jù)材料力學(xué)基本巖梁模型，可簡(jiǎn)化為兩端固支梁模型，頂板任意一點(diǎn)正應(yīng)力σ 為：

式中：M為該點(diǎn)斷面彎矩；y 為點(diǎn)距斷面中性軸的距離；h 為巖層高度。

拉應(yīng)力達(dá)到巖層極限抗拉強(qiáng)度στ，巖層將發(fā)生拉伸破斷，得到堅(jiān)硬巖層的極限跨距l(xiāng)max：

式中：q0為堅(jiān)硬頂板承受的單位面積載荷，包括巖層質(zhì)量。

假設(shè)巖層發(fā)生整體平滑，將裂縫面分為上下2部分，分別為h1和h2，此時(shí)上下巖層是否發(fā)生同步運(yùn)動(dòng)。煤層上覆堅(jiān)硬頂板水平裂縫面壓裂后賦存狀態(tài)如圖2。

圖2 煤層上覆堅(jiān)硬頂板水平裂縫面Fig.2 Horizontal crack surface of hard roof overlying coal seam

假設(shè)下位巖層h1發(fā)生破斷運(yùn)動(dòng)，則其不受載荷上覆巖層載荷影響，所承受的載荷僅為自重應(yīng)力，頂板受下層位巖層的夾持作用力（q1）1為：

式中：ρ 為巖層密度。

則下位巖層破斷步距l(xiāng)11和上位巖層破斷步距l(xiāng)12分別為：

式中：E 為頂板彈性模量。

因h1滿(mǎn)足0＜h1＜h/2，則有ρgh2/h1＞2ρgh，此時(shí)l11＜lmax一直成立，即分層后下分層的破斷步距l(xiāng)11小于巖層整體的破斷步距l(xiāng)max。

2.2 垂直裂縫面賦存對(duì)頂板破斷的影響

當(dāng)巖層發(fā)生垂直裂縫時(shí)，則巖體頂板整體分為2 塊，分別為A、B，長(zhǎng)度l1和l2，巖層垂直分為截面1～3，煤層上覆堅(jiān)硬頂板垂直裂縫面如圖3。

圖3 煤層上覆堅(jiān)硬頂板垂直裂縫面Fig.3 Vertical crack surface of hard roof overlying coal seam

當(dāng)巖層中存在垂直裂縫面分布時(shí)，此時(shí)巖層不再處于兩端固支梁受力狀態(tài)，兩側(cè)塊體A、B 可認(rèn)為類(lèi)似鉸接結(jié)構(gòu)。以塊體A 為例分析，塊體A 受自身及上覆巖層作用，受到垂向力QA，端部支撐力RA，受到塊體B 對(duì)A 的水平推力T，以及回轉(zhuǎn)過(guò)程中裂縫面上的摩擦力FA，若A 處于平衡狀態(tài)，塊體A 受力分析如圖4。

圖4 塊體A 受力分析Fig.4 Force analysis of block A

水力壓裂后，巖層破斷所表現(xiàn)出各向異性的破斷規(guī)律，在巖石內(nèi)部會(huì)形成不規(guī)則的橫向或者豎向裂縫，水壓裂縫在集中力作用下易在裂縫面周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)一步造成裂縫面周?chē)鷰r體的破壞損傷，減弱塊體A 和塊體B 之間的水平作用力，此時(shí)裂縫面兩側(cè)塊體在垂向力作用下更易于發(fā)生破斷回轉(zhuǎn)，造成A 和塊體B 在兩側(cè)固支端發(fā)生破斷，引起巖層的失穩(wěn)。因此在垂直水壓裂縫面賦存條件下，巖層更易沿著裂縫面處發(fā)生回轉(zhuǎn)，若裂縫面位置在巖層初次破斷步距范圍內(nèi)，則此時(shí)巖層的破斷步距、破斷失穩(wěn)強(qiáng)度都將減弱，有利于降低巖層破斷失穩(wěn)的礦壓作用強(qiáng)度。

3工程設(shè)計(jì)

3.1 地面壓裂層位選取

在選取目標(biāo)層位時(shí)，應(yīng)考慮巖層破斷釋放能量最大，礦壓作用最強(qiáng)烈的厚硬巖層，以小莊礦40302工作面為背景開(kāi)展實(shí)測(cè)。

小莊礦40302 工作面主采4 煤層，位于三盤(pán)區(qū)東翼，工作面設(shè)計(jì)可采長(zhǎng)度1 544.3 m，傾向長(zhǎng)度196 m，平均可采厚度25.5 m，煤層傾角1°～6°；工作面上覆多層堅(jiān)硬巖層，以含粗砂巖為主，厚度21.2～33.5 m，平均約28.5 m（含上部砂巖），距離煤層頂板50～70 m，平均60 m，是造成工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要因素，該巖層定位為壓裂目標(biāo)層。40302 工作面煤巖層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)（XZ1903 鉆孔）見(jiàn)表1，40302 工作面煤巖層取樣參數(shù)不代表煤巖層的實(shí)際厚度。

表1 40302 工作面煤巖層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)（XZ1903 鉆孔）Table 1 Mechanical property parameters of coal strata at 40302 working face（Borehole XZ1903）

3.2 施工設(shè)計(jì)

3.2.1 壓裂質(zhì)量控制

對(duì)BFMF-1 一體化高效稠化劑進(jìn)行取樣，外觀半透明色液體、分散均勻，無(wú)分層，提取現(xiàn)場(chǎng)水樣，觀察水樣澄清透明，無(wú)雜質(zhì)，無(wú)沉淀物，pH 為7.6；采用0.15%～0.30% BFMF-1 一體化高效稠化劑+現(xiàn)場(chǎng)壓裂用水進(jìn)行配比。不同濃度BFMF-1 一體化高效壓裂液體系黏度測(cè)試見(jiàn)表2。

表2 不同濃度BFMF-1 一體化高效壓裂液體系黏度測(cè)試結(jié)果Table 2 Viscosity test results of BFMF-1 integrated high efficiency fracturing fluid system with different concentrations

40302 工作面XZ-01L、XZ-02L 井設(shè)計(jì)分別使用一體化高效壓裂液20 676、18 000 m3，考慮到備用量，壓裂施工共準(zhǔn)備22 000、19 000 m3。暫堵劑準(zhǔn)備量分別為6 800、6 600 kg。

3.2.2 井位設(shè)計(jì)及鉆井工藝

40302 工作面上覆目標(biāo)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40302 工作面部署水平井2口，XZ-01L 和XZ-02L 水平井，井口在工作面對(duì)應(yīng)中間位置部署，分別向切眼和終采線(xiàn)施工。XZ-01L水平井水平段北距離工作面回風(fēng)巷150 m，南距離運(yùn)輸巷45 m，末端為終采線(xiàn)，著陸點(diǎn)西距離終采線(xiàn)800 m；XZ-02L 水平井水平段北距離工作面回風(fēng)巷140 m，南距離運(yùn)輸巷55 m，末端為切眼，著陸點(diǎn)東距離切眼750 m。2 口井位置分布圖如圖5。

圖5 水平井井位部署位置示意圖Fig.5 Deployment position diagram of horizontal well

鉆孔采用三開(kāi)結(jié)構(gòu)，一開(kāi)φ444.5 mm 孔徑，下J55φ339.7 mm×10.92 mm 表層套管；二開(kāi)φ331.1 mm 孔徑，下J55φ244.5 mm×8.94 mm 技術(shù)套管；三開(kāi)φ215.9 mm 孔徑，下P110φ139.7 mm×7.72 mm 技術(shù)套管。

3.2.3 壓裂工藝

XZ-01L 井壓裂段數(shù)17 段，XZ-02L 井壓裂段數(shù)15 段，為實(shí)現(xiàn)大排量體積壓裂及復(fù)雜縫網(wǎng)的壓裂目標(biāo)，選用電纜泵送橋塞射孔聯(lián)作壓裂工藝技術(shù)，壓裂段間距50 m，2 簇射孔，簇間距15～20 m，每簇1 m，10 孔/m 的射孔，壓裂液排量10～12 m3/min，壓力約為20～30 MPa，液量1 300～1 500 m3，暫堵壓裂采用高黏活性膠+暫堵壓裂工藝或高黏活性膠+交聯(lián)凍膠+暫堵壓裂工藝；采用100 目（150 μm）粉砂和40/70 目（380/212 μm）石英砂比列控制在3∶1～2∶1之間，控制在35～40 m3。

3.2.4 井-地微震聯(lián)合監(jiān)測(cè)

地面壓裂裂縫的擴(kuò)展主要采用井-地微震聯(lián)合監(jiān)測(cè)的方法，其工作原理主要利用壓裂時(shí)產(chǎn)生的微地震，采用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)地震波進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉，根據(jù)地震波速度結(jié)構(gòu)、破裂定位與破裂能量分布情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理形成微地震三維影像；采用檢波器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其定位必須用高精度GPS 準(zhǔn)確定位（GPS 精度≤1.0 m），地面檢波器的埋置深度≥10 cm，圍繞壓裂井壓裂段垂直放置，井下采用ARAMISM/E 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及ARES-5/E 地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)上覆巖層破斷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 工程實(shí)踐

壓裂井的整體結(jié)構(gòu)為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)。

XZ-01L：一開(kāi)井深260 m，且進(jìn)入洛河組穩(wěn)定基巖不少于10 m，下J55 φ339.7 mm×10.92 mm 表層套管；二開(kāi)井深865 m，目標(biāo)層安定組底部含礫中粗砂巖和細(xì)砂巖復(fù)合頂板，下J55 φ244.5 mm×8.94 mm 套管；三開(kāi)井深1 665 m，下P110 φ139.7 mm×7.72 mm 套管完鉆。XZ-02L：一開(kāi)井深300 m，且進(jìn)入洛河組穩(wěn)定基巖不少于10 m，下J55 φ339.7 mm×10.92 mm 表層套管；二開(kāi)井深865 m，目標(biāo)層安定組底部含礫中粗砂巖和細(xì)砂巖復(fù)合頂板，下J55 φ244.5 mm×8.94 mm 套管；三開(kāi)井深1 615 m，下P110 φ139.7 mm×7.72 mm 套管完鉆。

首先在壓裂目標(biāo)層區(qū)域進(jìn)行射孔，在壓裂井四壁形成多個(gè)小孔，使壓裂液能夠通過(guò)小孔進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)壓裂。適當(dāng)?shù)牧芽p間距可以達(dá)到最佳的釋放地層應(yīng)力和避免縫間應(yīng)力干擾，XZ-01L 井、XZ-02L 井水平井分段優(yōu)選為50 m/段，分別為16 段和17 段。施工排量10～12 m3/min，每段施工支撐劑用量：不低于35 m3，每簇不低于17.5 m3；其中100 目（150 μm）粉砂約占60%～75%；40/70 目（380/212 μm）石英砂約占25%～40%，每段施工壓裂液用量：低傷害高黏活性膠1 300～1 500 m3。

5 效果評(píng)價(jià)

5.1 微地震監(jiān)測(cè)對(duì)壓裂效果評(píng)價(jià)

通過(guò)微地震監(jiān)測(cè)分析，2 口井壓裂裂縫實(shí)際切割形態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的95.5%、98.5%，縫帶長(zhǎng)符合率達(dá)到97.4%、98.4%；縫帶高符合率達(dá)到84.2%、90.2%，縫帶寬符合率達(dá)到100%。井外包絡(luò)體（MSRV）壓裂井各段HDS-SRV 統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 壓裂井口各段M-SRV 和HDS-SRV 統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of M-SRV and HDS-SRV for each stage of the fractured wellhead

事件點(diǎn)的外包絡(luò)體（M-SRV）體積大小分別為0.32×108、0.31×108m3，井筒上方20 m、下方20 m 內(nèi)整體壓裂改造的效果較好。統(tǒng)計(jì)其（HDS-SRV）體積分別為0.25×108、0.23×108m3；M-SRV 平均值分別為253×104、211×104m3，HDS-SRV 平均值為190×104、144×104m3。根據(jù)微地震事件的震源機(jī)制反演結(jié)果，得到每個(gè)微地震事件破裂的類(lèi)型、微裂縫的傾角及方位，得到DFN-SRV 體積分別為2.2×107、1.7×107m3。

5.2 縫網(wǎng)復(fù)雜度評(píng)價(jià)

分別把單段的震源機(jī)制解所描述的破裂方位相近、相鄰的微裂縫連在一起，孤立的微裂縫被排除掉，建立單段的微地震破裂有效微裂縫網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)描述的縫網(wǎng)形態(tài)分類(lèi)分為2 類(lèi)，Ⅰ類(lèi)的特征是主縫為主，Ⅱ類(lèi)的特征是主縫+次生縫，在此基礎(chǔ)上根據(jù)連通縫網(wǎng)所占整個(gè)壓裂波及范圍的比例把縫網(wǎng)復(fù)雜度分為3 個(gè)等級(jí)：縫網(wǎng)復(fù)雜度高（復(fù)雜），縫網(wǎng)占波及范圍的比達(dá)到85%；縫網(wǎng)復(fù)雜度一般（較復(fù)雜），縫網(wǎng)占波及范圍的比達(dá)到60%；縫網(wǎng)復(fù)雜度低（縫網(wǎng)簡(jiǎn)單），縫網(wǎng)占波及范圍的比小于60%。XZ-01L縫網(wǎng)復(fù)雜度高（復(fù)雜）共17 段，占比100%，總體改造效果較好。XZ-02L 其中縫網(wǎng)復(fù)雜度一般（較復(fù)雜）共2 段，占比13%，縫網(wǎng)復(fù)雜度高（復(fù)雜）共13段，占比87%，總體改造效果較好。

5.3 暫堵效果分析

縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向有利于增加裂縫復(fù)雜程度，增加改造有效性，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了縫網(wǎng)延伸和暫堵效果的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作，并及時(shí)與壓裂指揮溝通，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)和工藝評(píng)價(jià)起到了一定的指導(dǎo)作用。XZ-01L井一共暫堵了17 段，XZ-02L 井一共暫堵了15 段，暫堵后事件個(gè)數(shù)有一定的增加，同時(shí)暫堵后的裂縫長(zhǎng)度、寬度、高度均有所增長(zhǎng)，響應(yīng)暫堵效果較為明顯，提高改造的范圍及復(fù)雜度。2 口井暫堵前后事件分布如圖6。

圖6 XZ-01L、XZ-02L 井暫堵前后事件分布俯視圖Fig.6 Top view of events distribution before and after temporary plugging of wells XZ-01L and XZ-02L

暫堵前微震事件分布達(dá)到約110 m。第1 次暫堵后，裂縫擴(kuò)展微震事件可達(dá)到約210 m；第2 次暫堵后，裂縫擴(kuò)展微震事件可達(dá)到約390 m；第3 次暫堵后，裂縫擴(kuò)展微震事件和第2 次暫堵基本保持一致，因此，3 次暫堵可達(dá)到裂縫擴(kuò)展最佳效果。

5.4 井下微震-地音監(jiān)測(cè)分析

5.4.1 微震監(jiān)測(cè)分析

XZ-01L 井壓裂期間井下微震系統(tǒng)累積監(jiān)測(cè)事件41 起，總能量7.86×104J。其中1 次方微震事件0起，2 次方微震事件14 起，3 次方微震事件27 起，無(wú)4 次方及以上事件。壓裂期間，大部分壓裂段的微震事件沿最大水平應(yīng)力方向擴(kuò)展，壓裂前中期微震響應(yīng)較差，壓裂中后期，壓裂位置逐步接近DF5斷層，微震活動(dòng)性大幅提升。整體上來(lái)看，大部分微震事件分布在40302 工作面運(yùn)輸巷一側(cè)，斷層、地應(yīng)力會(huì)對(duì)壓裂效果產(chǎn)生影響。壓裂期間微震事件分布較少且具有滯后性，整體上看壓裂初期井下微震監(jiān)測(cè)均無(wú)微震事件的發(fā)生，微震事件主要發(fā)生在添加暫堵之后。

XZ-02L 井壓裂期間井下微震系統(tǒng)累積監(jiān)測(cè)事件20 起，總能量9.07×104J。其中1 次方微震事件0起，2 次方微震事件6 起，3 次方微震事件14 起，無(wú)4 次方及以上事件。壓裂期間，大部分壓裂段的微震事件沿最大水平應(yīng)力方向擴(kuò)展，壓裂前期微震事件沿40302 運(yùn)輸巷附近分布較多，壓裂后期，微震事件開(kāi)始隨著壓裂里程的推進(jìn)沿40302 回風(fēng)巷分布較多。地應(yīng)力、采空區(qū)、斷層、以及褶曲會(huì)對(duì)壓裂效果產(chǎn)生影響。

壓裂后微震監(jiān)測(cè)影響范圍如圖7。

XZ-01L、XZ-02L 井壓裂期間井下監(jiān)測(cè)的微震事件分布區(qū)域遠(yuǎn)廣于壓裂設(shè)計(jì)區(qū)，壓裂期間微震事件在東西方向的分布范圍為857、790 m，南北方向分布范圍為380、390 m，微震事件的高程主要分布在375～450、390～410 m，壓裂過(guò)程對(duì)井下圍巖的宏觀破裂具有明顯的誘發(fā)作用。

5.4.2 地音監(jiān)測(cè)分析

統(tǒng)計(jì)參與壓裂的4 個(gè)地音探頭D4、D12、D13、D14 所接收到的數(shù)據(jù)，XZ-01L、XZ-02L 井壓裂期間井下地音系統(tǒng)累計(jì)監(jiān)測(cè)事件分別為273 746、680起，總能量約為1.35×108、544 593 J，整體的壓裂中，壓裂前期的地音探頭響應(yīng)較弱，壓裂中后期靠近DF5斷層時(shí)，地音活動(dòng)性大幅提升，地音的能量和頻次一致性較強(qiáng)；整體上運(yùn)輸巷的能量響應(yīng)會(huì)比回風(fēng)巷的要激烈，且運(yùn)輸巷的地音頻次會(huì)比回風(fēng)巷的要高；在壓裂前期，運(yùn)輸巷的地音能量遠(yuǎn)高于回風(fēng)巷的地音能量，而同時(shí)在前期微震事件較多處于回風(fēng)巷一側(cè)，與地音的監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。

6 壓裂后效果分析

6.1 微震監(jiān)測(cè)分析

選取未施工地面水平井壓裂工程的40205 工作面和40302 工作面通過(guò)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，任選2 個(gè)工作面1 個(gè)月的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表4。

表4 微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistical table of micro-seismic monitoring data

地面水平井分段壓裂工程未施工和施工后的工作面進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示：未壓裂工作面當(dāng)月最大微震能量達(dá)到9.9×103J，壓裂后工作面當(dāng)月最大微震能量為4.8×103J，降低51.5%；總頻次工作面未壓裂時(shí)當(dāng)月達(dá)到9 742 個(gè)，通過(guò)地面壓裂后減少至570 個(gè)，微震總頻次降低94.1%，總能量降低94.6%；同時(shí)，2 次方微震事件和3 次方微震事件均有所降低，降低均達(dá)到90%以上。

6.2 現(xiàn)場(chǎng)壓裂效果

工作面壓裂期間，頂板上覆巖層裂隙導(dǎo)通，兩巷道出現(xiàn)淋水，主要從煤壁側(cè)魚(yú)鱗管流出，運(yùn)輸巷路面積水深200 mm，長(zhǎng)10 m，回風(fēng)巷積水深達(dá)到400 mm，長(zhǎng)度達(dá)到30 m，不同區(qū)域路面有積沙，黃泥。

當(dāng)工作面回采進(jìn)入壓裂區(qū)域范圍后，工作面支架及超前支護(hù)范圍特征進(jìn)行對(duì)比，工作面未壓裂時(shí)，回采過(guò)程中超前巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，兩幫收斂量達(dá)到1 400 mm 以上，工作面支架壓裂分布不均，周期來(lái)壓期間工作壓力顯現(xiàn)明顯；工作面壓裂后，兩幫收斂量不足200 mm，工作面壓力分布均勻，支架阻力降低32%，煤壁片幫率降低34%，為工作面回采提供了良好的條件。

7 結(jié) 語(yǔ)

1）針對(duì)深部特厚沖擊地壓煤層開(kāi)采過(guò)程中上覆高位大面積堅(jiān)硬頂板難垮落、礦壓強(qiáng)度大的問(wèn)題，提出了地面L 型水平井分段壓裂技術(shù)并對(duì)巖體破斷規(guī)律進(jìn)行分析。

2）對(duì)地面水平井分段壓裂技術(shù)在施工過(guò)程中的目標(biāo)巖層確定、井口位置選取、壓裂參數(shù)確定等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)地面及井下聯(lián)合監(jiān)測(cè)，對(duì)壓裂后裂縫的擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行分析。

3）通過(guò)理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐結(jié)果研究，地面水平井分段壓裂裂縫可覆蓋整個(gè)回采工作面，對(duì)上覆高位堅(jiān)硬頂板弱化改性起到良好的效果，與傳統(tǒng)井下水力壓裂相比，對(duì)頂板弱化的范圍更廣，同時(shí)可避免井下施工期間的生產(chǎn)影響，壓裂層位選取更加靈活。

4）地面壓裂施工完成后，工作面回采期間兩巷道超前區(qū)域兩幫收斂量、底鼓量均有明顯降低，微震總頻次降低94.1%，總能量降低94.6%，2 次方和3 次方微震事件頻次降低均達(dá)到90%以上。