中高位厚硬頂板長(zhǎng)孔水力壓裂防沖效果研究

孫如達(dá)，夏永學(xué)，高家明

（中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013）

隨著煤炭資源開(kāi)采深度和開(kāi)采強(qiáng)度的增加，礦井各類(lèi)煤巖動(dòng)力災(zāi)害日益加劇[1-2]。其中，沖擊地壓已經(jīng)成為嚴(yán)重制約煤礦安全高效開(kāi)采的主要災(zāi)害之一，也成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注并開(kāi)展相關(guān)研究工作的熱點(diǎn)。沖擊地壓的影響因素眾多，厚層堅(jiān)硬頂板是最重要的影響因素之一[3]。在我國(guó)沖擊地壓事故案例中，絕大多數(shù)都存在厚層堅(jiān)硬頂板的情況。厚層堅(jiān)硬頂板對(duì)沖擊地壓的影響主要體現(xiàn)在2 方面[4]：一是厚層堅(jiān)硬頂板力學(xué)性能強(qiáng)，更容易在采空區(qū)邊緣形成懸頂，導(dǎo)致承擔(dān)的上覆載荷傳遞到采空區(qū)周?chē)拿簬r體中，形成局部高靜載應(yīng)力集中；二是當(dāng)懸頂長(zhǎng)度達(dá)到極限垮距時(shí)，瞬間發(fā)生破斷失穩(wěn)，釋放強(qiáng)烈動(dòng)載荷，增加了沖擊地壓發(fā)生的可能性。因此，為了有效控制厚硬頂板沖擊地壓，需要采取主動(dòng)卸壓的手段來(lái)控制因?yàn)閳?jiān)硬頂板產(chǎn)生的的沖擊危險(xiǎn)性。

厚硬頂板型沖擊地壓防治的核心思路在于通過(guò)增加堅(jiān)硬頂板內(nèi)的裂隙，弱化整體巖層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)厚層堅(jiān)硬頂板的改性。目前常用的手段包括深孔爆破[5]和水壓致裂技術(shù)[6]等。頂板爆破技術(shù)雖然操作簡(jiǎn)單且技術(shù)成熟，但存在鉆孔工程量大，卸壓范圍小等弊端，且不適應(yīng)于高瓦斯礦井。水壓致裂技術(shù)最早用于油氣田領(lǐng)域，采用體積壓裂的方式，使大范圍致密巖層內(nèi)形成人造裂縫，是普遍采用的壓裂增產(chǎn)改造技術(shù)[7-8]。近年來(lái)，隨著壓裂工藝與裝備的快速發(fā)展，該技術(shù)也逐漸應(yīng)用于厚硬頂板的沖擊地壓防治[9]。其目的在于增加特定巖層的層理和裂隙，削弱其整體性和強(qiáng)度，促進(jìn)工作面開(kāi)采時(shí)懸頂?shù)奶崆皵嗔?，達(dá)到降低沖擊危險(xiǎn)性的目的。

近年來(lái)，隨著長(zhǎng)鉆孔水力壓裂技術(shù)在堅(jiān)硬頂板型沖擊地壓防治領(lǐng)域的應(yīng)用，眾多學(xué)者對(duì)水力壓裂的技術(shù)原理和效果評(píng)價(jià)進(jìn)行了卓有成效的研究。李全貴等[10]綜述了水力壓裂物理試驗(yàn)的相似理論發(fā)展、試驗(yàn)材料和裝置的演變、常用監(jiān)測(cè)檢測(cè)方法的特點(diǎn)和適用范圍；康紅普等[11]提出了井下工作面定向鉆孔區(qū)域水力壓裂頂板層位、壓裂鉆孔布置與參數(shù)確定方法及壓裂工藝，在井下進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)和系統(tǒng)的地面微震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲得了頂板水力壓裂裂縫空間展布特征；潘俊鋒等[12]提出了煤層上覆主導(dǎo)致災(zāi)層位厚硬頂板區(qū)域水力壓裂“人造解放層”卸壓防治沖擊地壓方法，實(shí)現(xiàn)了解放層卸壓效果；陳凱等[13]發(fā)現(xiàn)了煤層鉆孔在水力壓裂過(guò)程中的擾動(dòng)應(yīng)力在煤層內(nèi)的傳遞主要以衰減為主；李建軍等[14]分析了定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂原理，提出了堅(jiān)硬頂板和遺留煤柱影響下工作面“見(jiàn)方”影響的壓裂設(shè)計(jì)方案；馮俊仁[15]對(duì)比實(shí)施了分層單一水力壓裂和多煤層綜合水力壓裂，分析了煤層壓裂發(fā)展全過(guò)程，認(rèn)為水力壓裂顯著提高煤層群壓裂的有效增透范圍及效果。雖然該技術(shù)目前在個(gè)別沖擊地壓礦井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用[16]，但是對(duì)于該方法的防沖卸壓效果的研究相對(duì)較少。為此，以門(mén)克慶煤礦為例，采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合的方式，探討了中高位厚硬頂板長(zhǎng)孔水力壓裂技術(shù)在防沖工程中的應(yīng)用效果；設(shè)計(jì)實(shí)施了水利壓裂方案，并基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比了實(shí)施前后的效果，驗(yàn)證了長(zhǎng)孔水力壓裂技術(shù)在防沖工程中具有較高的有效性和可行性。

1 工程概況

1.1 工作面概況

3106 工作面位置如圖1。

圖1 3106 工作面布置圖Fig.1 Layout 3106 working face

3106 工作面位于門(mén)克慶井田3-1 煤11 采區(qū)，工作面長(zhǎng)度320 m，推進(jìn)長(zhǎng)度2 927 m，東側(cè)為實(shí)體煤，西側(cè)為3-1 煤南翼大巷，南側(cè)為實(shí)體煤，北側(cè)為11-3104 采空區(qū)，留設(shè)6 m 區(qū)段煤柱。煤層傾角為1°～3°，煤層厚度4.60～4.83 m，平均厚度為4.72 m，埋深約680 m，密度為1.30 t/m3。3-1 煤及頂?shù)装宓牧W(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表1～表2。沖擊傾向性鑒定結(jié)果表明，門(mén)克慶煤礦3-1 煤具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性。

表1 3-1 煤力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of mechanical properties of 3-1 coal

表2 3-1 煤頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of mechanical properties of 3-1 coal roof and floor

1.2 防沖工程概況

目前，3106 工作面實(shí)施的卸壓措施主要為端頭切頂爆破孔、煤體大直徑鉆孔卸壓及頂板超前高、低位頂板預(yù)裂爆破孔。其中，主運(yùn)巷施工端頭切頂孔，孔深32 m，孔徑89 mm，間距10 m；回風(fēng)巷工作面回采幫施工大直徑煤體卸壓孔和超前低位頂板預(yù)裂爆破孔，煤體大直徑卸壓孔孔深20 m，孔徑150 mm，孔間距2 m；超前低位頂板預(yù)裂爆破孔1 組2孔，組間距20 m，扇形布置，炮孔直徑89 mm，孔深分別為31、38 m，傾角分別為60°和45°，處理層位為煤層上方27 m。局部施工超前高位頂板預(yù)裂爆破孔，1 組2 孔，扇形布置，炮孔直徑75 mm，孔深分別為89、101 m，傾角分別為60°、47°，處理層位為煤層上方77 m。

根據(jù)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果及工程現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，3106 工作面開(kāi)采過(guò)程中，發(fā)生了多次大能量事件伴隨有強(qiáng)烈礦震，工作面產(chǎn)生強(qiáng)烈震動(dòng)。3106 工作面開(kāi)采過(guò)程中能量E＞103J 的微震事件分布如圖2。

圖2 3106 工作面微震事件剖面圖Fig.2 Microseismic event profile of 3106 working face

可以發(fā)現(xiàn)，大能量事件多集中于工作面上方厚硬砂巖層內(nèi)，對(duì)應(yīng)于高位頂板的破斷。堅(jiān)硬厚頂板破斷時(shí)，引起的強(qiáng)烈震動(dòng)易對(duì)其下方的支架和巷道形成高沖擊動(dòng)載，導(dǎo)致3106 工作面沖擊危險(xiǎn)性升高。因此，需要引入新的卸壓方法處理厚硬頂板，降低沖擊危險(xiǎn)性。

2 長(zhǎng)孔水力壓裂方案

2.1 長(zhǎng)孔壓裂層位確定

3106 工作面開(kāi)采范圍內(nèi)，最近的4 個(gè)地質(zhì)鉆孔分別為H039、H040、H041、WZ11，鉆孔勘探線位置如圖3。連接4 個(gè)鉆孔，揭示了工作面走向方向頂板巖性特征，巖層結(jié)構(gòu)走向剖面圖如圖4。

圖3 鉆孔勘探線位置Fig.3 Location of drilling exploration line

圖4 巖層結(jié)構(gòu)走向剖面圖Fig.4 Section of rock structure strike

從巖層剖面可見(jiàn)，該區(qū)域頂板上方250 m 范圍內(nèi)以砂巖為主，其巖性為堅(jiān)硬或半堅(jiān)硬，具有厚度較大、連續(xù)性較好的特點(diǎn)。

采場(chǎng)覆巖層中存在著多層巖層時(shí)，對(duì)巖體活動(dòng)全部或局部起控制作用的巖層稱為關(guān)鍵層，關(guān)鍵巖層的活動(dòng)會(huì)對(duì)整個(gè)采場(chǎng)的礦山壓力、巖層移動(dòng)和地表沉降等產(chǎn)生顯著影響[17]。借鑒該思想，對(duì)于以上諸多上覆厚層巖層中存在的1 層或幾層對(duì)誘發(fā)采場(chǎng)沖擊地壓起主導(dǎo)作用的巖層，即為誘沖的關(guān)鍵層。

首先對(duì)關(guān)鍵層進(jìn)行判別，假設(shè)某一巖層為關(guān)鍵層，該巖層控制的范圍達(dá)到第n 層，則第n+1 層成為第2 層關(guān)鍵層的條件為：

式中：qn+1、qn分別計(jì)算到第n+1 層與第n 層時(shí)第1 層關(guān)鍵層所受的荷載，N/m2；hi為巖層的厚度，m；ρi為巖層的密度，kg/m3；g 為重力系數(shù)，約等于9.8 N/kg；Ei為巖層的彈性模量，MPa。

由此可根據(jù)如下程序進(jìn)行關(guān)鍵層的判斷：

首先，利用具體的巖層賦存地質(zhì)綜合柱狀圖，根據(jù)關(guān)鍵層的巖層厚度和巖性，初步確定可能成為關(guān)鍵層的厚層巖層，作為確定主關(guān)鍵位置的基礎(chǔ)。

然后根據(jù)關(guān)鍵層的剛度條件，進(jìn)一步確定需要強(qiáng)度條件判別的對(duì)象：

若式（2）成立，則說(shuō)明該巖層可能成為關(guān)鍵層，以此類(lèi)推到最后1 層硬巖。由此可按照上式，對(duì)涉及的巖層從上到下逐層判別，直至確定出位于最上方可能成為關(guān)鍵層的硬巖層位置。

最后，關(guān)鍵層除滿足式（2）的要求，還需要滿足關(guān)鍵層要求的強(qiáng)度條件來(lái)判定第n 層是否為關(guān)鍵層。即是說(shuō)，要求上覆硬巖層的破斷距大于下層硬巖層的破斷距：

式中：lj為第j 巖層的破斷距，m；j 為硬巖層層數(shù)；hj為第j 層硬巖層的厚度，m；RTj為巖層的抗拉強(qiáng)度，MPa；qj為巖層承受的載荷，N/m2。

若第j 層硬巖層不滿足式（3），則應(yīng)將第j+1 層硬巖層所控制的全部巖層載荷作用到第j 層上，重新計(jì)算第j 層硬巖層破斷距后再繼續(xù)進(jìn)行判別。

利用以上方法對(duì)煤層上方300 m 以內(nèi)的覆巖進(jìn)行了關(guān)鍵層判別，工作面煤層上覆巖層中存在4 個(gè)關(guān)鍵層，依次向上分別標(biāo)記為關(guān)鍵層I（平均厚度為20.68 m 細(xì)/中粒復(fù)合砂巖）、關(guān)鍵層II（49.95 m 中/粗/粉粒復(fù)合砂巖）、關(guān)鍵層III（33.12 m 細(xì)粒砂巖）、關(guān)鍵層IV（34.70 m 細(xì)/中粒復(fù)合砂巖）。工作面覆巖關(guān)鍵層示意圖如圖5。

其次，從能量的角度對(duì)誘沖的關(guān)鍵層，對(duì)煤體沖擊危險(xiǎn)性起主要影響作用的巖層做出判斷。設(shè)煤層上方的n 層巖層依次斷裂并釋放能量，釋放的能量分別記UE1、UE2、…、UEn，震源距離開(kāi)采煤體的距離為r1、r2、…、rn，該能量在巖體中以指數(shù)形式衰減，衰減指數(shù)（阻尼）為η，衰減規(guī)律為En′＝Enr-η，則傳播至煤體的能量E′分別為：

蘇聯(lián)阿維爾申教授認(rèn)為，煤層內(nèi)的彈性能U 可由體變彈性能Uv、形變彈性能Ut和頂板彎曲彈性能Uw3 部分組成，即：

煤體因體積變形而積聚的彈性能可表示為：

因形狀變形而積聚的彈性能為：

式中：E 為巖層的彈性模量，MPa；μ 為巖層的泊松比；H 為巖層的厚度。

頂板彎曲彈性能Uw可分為初次垮落及周期垮落2 種不同情況，展開(kāi)式分別如下：

式中：M 為煤壁上方頂板巖層的彎矩，N·m；φ為頂板巖層彎曲下沉的轉(zhuǎn)角；q 為頂板巖層質(zhì)量與上覆巖層附加載荷的單位長(zhǎng)度折算載荷，N/m2；I 為頂板巖層斷面的慣性矩，m4；L 為頂板巖層的懸伸長(zhǎng)度，m。

式（4）中的衰減指數(shù)η 的取值對(duì)計(jì)算巖層破斷后傳遞至煤層時(shí)的能量大小至關(guān)重要，根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)能量衰減曲線可知，震源能量隨傳播距離增大呈指數(shù)關(guān)系衰減，且隨介質(zhì)的完整性、孔隙率等性能指標(biāo)的變化而不同，介質(zhì)性能指標(biāo)越趨向良性，衰減指數(shù)越小，反之，衰減指數(shù)越大。在計(jì)算巖層破斷傳遞至煤層的能量時(shí)，衰減指數(shù)η 可取1.150 9～2.130 9。門(mén)克慶煤礦砂巖類(lèi)頂板完整性較高、裂隙不發(fā)育，能量傳遞過(guò)程衰減程度相對(duì)較小，η 取1.150；泥巖類(lèi)完整性較低、裂隙發(fā)育，能量傳遞過(guò)程衰減程度相對(duì)較高，η 取2.130 9。由以上公式計(jì)算可知，關(guān)鍵層II 初次破斷傳遞給煤體的能量4.80×106J，相較其他關(guān)鍵層破斷傳遞給煤體的能量最高；關(guān)鍵層II 周期破斷傳遞給煤體的能量3.84×106J，相較其他關(guān)鍵層破斷傳遞給煤體的能量最高。關(guān)鍵層II 與低位關(guān)鍵層I 相比，釋放能量大，與上方的高位關(guān)鍵層III、IV 相比，又較為活躍，當(dāng)其與在采場(chǎng)一定的基礎(chǔ)靜載疊加時(shí)，最容易誘發(fā)沖擊地壓，為工作面的主要誘沖關(guān)鍵層。因此，確定關(guān)鍵層II 為壓裂區(qū)。

2.2 試驗(yàn)方案

通過(guò)開(kāi)展高位頂板水力壓裂分層致裂技術(shù)，在高位硬厚頂板內(nèi)預(yù)制裂隙面，削弱其整體性和強(qiáng)度，促進(jìn)懸頂提前斷裂，同時(shí)釋放部分彈性能，達(dá)到降低沖擊危險(xiǎn)性的目的。因此，在3106 工作面腰巷以里439 m 施工6 個(gè)超長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行區(qū)域壓裂，壓裂鉆孔布置如圖6。

圖6 壓裂鉆孔布置圖Fig.6 Fracturing drilling layout

設(shè)計(jì)采用后退式分段壓裂，分段距離30 m 左右，分段壓裂時(shí)間≥30 min；最大工作壓力為70 MPa，最大施工排量為1.5 m3/min。超長(zhǎng)孔水力壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表3。

表3 超長(zhǎng)孔水力壓裂施工參數(shù)Table 3 Ultra-long hole hydraulic fracturing construction parameters

3 多源監(jiān)測(cè)卸壓效果分析

3.1 長(zhǎng)孔水力壓裂效果

通常，富含純水的巖層相比缺乏純水的巖層導(dǎo)電性較好，當(dāng)頂板巖層內(nèi)開(kāi)展割縫壓裂作業(yè)后，巖層中含水量增加，導(dǎo)電性增強(qiáng)，視電阻率降低。通過(guò)瞬變電磁儀探測(cè)，對(duì)頂板二次場(chǎng)電壓衰變信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)而反演處理，得出目標(biāo)區(qū)域視電阻率分布云圖，推斷目標(biāo)區(qū)域在割縫壓裂前后的含水量不同，從而判斷長(zhǎng)孔水力壓裂實(shí)施效果情況。

在3106 工作面長(zhǎng)孔壓裂前后，分別對(duì)3106 主運(yùn)巷和回風(fēng)巷距離開(kāi)切眼1 350～1 950 m 范圍各開(kāi)展2 次頂板巖層瞬變電磁探測(cè)，3106 工作面瞬變電磁探測(cè)方案圖如圖7，3106 工作面主運(yùn)巷、回風(fēng)巷長(zhǎng)孔壓裂前后的瞬變電磁探測(cè)視電阻率云圖如圖8。

圖7 3106 工作面瞬變電磁探測(cè)方案圖Fig.7 Transient electromagnetic detection scheme diagram of 3106 working face

圖8 壓裂前后視電阻率云圖Fig.8 Apparent resistivity cloud diagrams before and after fracturing

根據(jù)圖8，未壓裂前，視電阻率等值線分布表現(xiàn)為扭曲、變形或呈密集條帶等形狀，垂直方向50～70 m 的長(zhǎng)孔壓裂設(shè)計(jì)層位范圍內(nèi)存在2 處高阻區(qū)，等值線數(shù)值＞70 Ω·m。實(shí)施長(zhǎng)孔水力壓裂后，巖層的電阻率有序變化，在視電阻率斷面圖上等值線變化穩(wěn)定，呈似層狀分布，壓裂層位的視電阻率明顯降低，約為35 Ω·m。

通過(guò)以上分析，對(duì)目標(biāo)砂巖層實(shí)施長(zhǎng)孔水力壓裂后，目標(biāo)巖層內(nèi)形成裂縫網(wǎng)，巖層裂縫網(wǎng)的相互貫通厚裂隙內(nèi)含水量增加，出現(xiàn)了降阻現(xiàn)象，且增強(qiáng)了同一層位巖層視電阻率的連續(xù)性。因此可以判斷長(zhǎng)孔水力壓裂產(chǎn)生了較好的效果。

3.2 長(zhǎng)孔水力壓裂卸壓效果

3.2.1 礦震活動(dòng)規(guī)律

3106 工作面微震事件空間分布圖如圖9。

圖9 3106 工作面微震事件空間分布圖（2022-05-28—2022-10-14）Fig.9 Micro-seismic events spatial distribution of 3106 working face（2022-05-28—2022-10-14）

由圖9 可見(jiàn)：實(shí)施長(zhǎng)孔水力壓裂前，微震事件分布呈現(xiàn)明顯的無(wú)序性，出現(xiàn)能量的集中聚集，且出現(xiàn)多次106J 以上大能級(jí)礦震。從縱向剖面來(lái)看，能量分布呈現(xiàn)明顯的分區(qū)特性，低層位頂板活動(dòng)較為劇烈，小能量微震事件較多，106J 能級(jí)的大能量事件主要分布于關(guān)鍵層內(nèi)，對(duì)應(yīng)于高位頂板的破斷。堅(jiān)硬厚頂板破斷都將引起強(qiáng)烈震動(dòng)，對(duì)其下方的支架和巷道形成高沖擊動(dòng)載。實(shí)施長(zhǎng)孔水力壓裂后，從平面分布來(lái)看，微震事件分布與壓裂區(qū)具有較好的一致性，能級(jí)減小，僅出現(xiàn)1 次106J 以上能量的微震事件，回采期間現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)生礦震等動(dòng)力現(xiàn)象。從剖面圖來(lái)看，水力壓裂對(duì)頂板具有明顯的弱化作用，有效誘導(dǎo)了頂板破斷，能量分布層位高度降低，且呈現(xiàn)相對(duì)較小的破斷能量，避免了因關(guān)鍵層出現(xiàn)大面積懸頂突然斷釋放的動(dòng)載能量。105J 以上大能量事件出現(xiàn)于工作面中部位置，長(zhǎng)孔水力壓裂取得良好效果。

統(tǒng)計(jì)并對(duì)比了未壓裂區(qū)域和壓裂區(qū)域104J 以上能級(jí)微震事件的數(shù)量占比，大能量事件能級(jí)對(duì)比圖如圖10。

圖10 大能量事件能級(jí)對(duì)比圖Fig.10 Comparison of energy levels of large energy events

可以看出：實(shí)施壓裂后的105J 和106J 以上能級(jí)微震事件比未壓裂區(qū)分別降低了11.76%和7.65%，104J 能級(jí)事件數(shù)量占比增加了19.42%，表明長(zhǎng)孔壓裂有效降低了高位厚層頂板的完整性，頂板能量轉(zhuǎn)為“高頻低能”釋放，從而降低了因堅(jiān)硬厚頂板破斷導(dǎo)致的沖擊危險(xiǎn)。

統(tǒng)計(jì)了105J 能級(jí)以上的微震事件，繪制的大能量微震事件時(shí)序散點(diǎn)對(duì)比圖如圖11。

圖11 大能量微震事件時(shí)序散點(diǎn)對(duì)比圖Fig.11 Comparison diagram of time series scatter points of large energy micro-seismic events

工作面回采未壓裂區(qū)域（2022-01-01—05-27）累計(jì)780 m，其中105J 微震事件68 次，106J 微震事件14 次，大能量事件累計(jì)釋放4.18×107J，大能量事件平均延米發(fā)生密度為0.11 次/m，延米釋放能量為6.2×104J/m；工作面回采壓裂區(qū)（2022-05-28—10-14）累計(jì)697.6 m，105J 微震事件35 次，106J 微震事件1 次，大能量事件累計(jì)釋放8.95×106J，平均延米發(fā)生密度0.05 次/m，延米釋放能量為1.28×104J/m。

大能量微震事件空間分布如圖12。對(duì)比未壓裂和壓裂區(qū)域的微震大能量事件，可見(jiàn)大能量事件數(shù)量明顯降低，壓裂區(qū)的105J 及以上微震平均延米發(fā)生概率降低55 %，延米釋放能量降低79 %，在充分壓裂區(qū)域內(nèi)沒(méi)有106J 以上高能微震事件，說(shuō)明通過(guò)區(qū)域壓裂基本消除了高能沖擊事件。由巖層走向剖面可見(jiàn)，壓裂區(qū)內(nèi)頂板高位巖層內(nèi)的大能量事件明顯減少。

圖12 大能量微震事件空間分布Fig.12 Spatial distribution of large energy micro-seismic events

3.2.2 工作面來(lái)壓周期

工作面液壓支架載荷云圖如圖13。

圖13 工作面液壓支架載荷云圖Fig.13 Load cloud diagram of hydraulic support in working face

從工作面頂板整體壓力情況來(lái)看，水力壓裂產(chǎn)生了明顯的壓裂效果。工作面位于未壓裂區(qū)開(kāi)采時(shí)，周期來(lái)壓次數(shù)多，且以整個(gè)工作面來(lái)壓為主，來(lái)壓造成的高應(yīng)力影響范圍較廣；工作面位于壓裂區(qū)開(kāi)采時(shí)，周期來(lái)壓以局部為主，影響范圍大幅度減小，工作面整體應(yīng)力水平顯著低于未壓裂區(qū)，為采掘空間創(chuàng)造了有利的防沖低應(yīng)力環(huán)境。

對(duì)比了未壓裂與壓裂區(qū)歷次周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)，工作面來(lái)壓周期動(dòng)載系數(shù)如圖14?？梢钥闯?，長(zhǎng)孔水力壓裂區(qū)域壓裂不僅可以降低工作面采掘空間整體靜載水平，對(duì)比于未壓裂區(qū)，壓裂區(qū)的動(dòng)載系數(shù)整體顯著減小，且呈逐漸下降趨勢(shì)。因此，長(zhǎng)孔水力壓裂有效改造覆巖結(jié)構(gòu)，顯著降低頂板運(yùn)動(dòng)造成的動(dòng)載荷影響，從而阻斷了導(dǎo)致沖擊地壓?jiǎn)?dòng)的載荷路徑，降低了沖擊地壓發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

圖14 工作面來(lái)壓周期動(dòng)載系數(shù)Fig.14 Working face weighting periodic dynamic load coefficient

3.2.3 地表沉降演化特征

3106 工作面自回采起每周進(jìn)行1 次地表下沉量觀測(cè)記錄工作，地表觀測(cè)點(diǎn)沿工作面走向布置，相鄰測(cè)點(diǎn)平均間距20 m，3106 工作面走向地表沉降測(cè)點(diǎn)布置圖如圖15。其中A23～A72 測(cè)點(diǎn)位于未壓裂區(qū)域，A73～A98 測(cè)點(diǎn)位于長(zhǎng)孔壓裂區(qū)域。

圖15 3106 工作面走向地表沉降測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.15 Surface subsidence measuring point layout diagram of 3106 working face

統(tǒng)計(jì)了工作面回采過(guò)程中的地表累計(jì)下沉量，當(dāng)工作面剛剛回采過(guò)長(zhǎng)孔壓裂區(qū)域時(shí)，當(dāng)前位于地表的A40～A50 測(cè)點(diǎn)區(qū)域的地表下沉量最大，最大累計(jì)下沉值約1.2 m，位于地表沉降區(qū)谷底。隨著工作面向前推進(jìn)，A50～A100 測(cè)點(diǎn)下沉量將持續(xù)增加并達(dá)到最大下沉量。

下沉量斜率表征每個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大沉降速率，根據(jù)地表時(shí)序累計(jì)下沉量擬合各測(cè)點(diǎn)累計(jì)下沉量計(jì)算得到的累計(jì)下沉量斜率如圖16。

圖16 地表最大下沉量斜率Fig.16 Slope of maximum surface subsidence

由圖16 可見(jiàn)：3106 工作面地表下沉量最大區(qū)域的A45 測(cè)點(diǎn)的下沉量斜率最大，A45 測(cè)點(diǎn)兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)下沉量斜率逐漸降低的趨勢(shì)。A65 和A80點(diǎn)分別位于未壓裂區(qū)和壓裂區(qū)內(nèi)，根據(jù)工作面最大沉降點(diǎn)兩側(cè)沉降斜率逐漸降低的規(guī)律，A80 點(diǎn)的沉降斜率應(yīng)小于A65，但根據(jù)計(jì)算結(jié)果，A80 測(cè)點(diǎn)沉降斜率大于A65 測(cè)點(diǎn)，因此分析可得，長(zhǎng)孔壓裂促進(jìn)了工作面回采壓裂區(qū)域后的地表下沉。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）對(duì)誘發(fā)采場(chǎng)沖擊地壓起主導(dǎo)作用的關(guān)鍵層進(jìn)行了判別與計(jì)算，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)孔水力壓裂方案。確定了高度59.33 m、厚度49.95 m 的關(guān)鍵層Ⅱ?yàn)殚L(zhǎng)孔壓裂層位，并設(shè)計(jì)了長(zhǎng)孔水力壓裂方案。

2）檢驗(yàn)了長(zhǎng)孔水力壓裂的實(shí)施效果，發(fā)現(xiàn)壓裂層位的巖層裂隙內(nèi)含水量增加，視電阻率由70 Ω·m降低至35 Ω·m，巖層視電阻率的連續(xù)性增強(qiáng)，長(zhǎng)孔水力壓裂產(chǎn)生了較好的壓裂效果。

3）對(duì)比分析了長(zhǎng)孔水力壓裂的卸壓效果，微震能量轉(zhuǎn)為“高頻低能”釋放，大能量事件平均延米發(fā)生密度和延米釋放能量分別降低了55%和79%，回采期間現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)生礦震等動(dòng)力現(xiàn)象，工作面來(lái)壓步距縮短，來(lái)壓強(qiáng)度降低，動(dòng)載系數(shù)整體顯著減小，工作面回采壓裂區(qū)域后的地表沉降斜率增加，可有效降低因堅(jiān)硬頂板導(dǎo)致的沖擊危險(xiǎn)性。