龐貴艮

(神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 保德煤礦，山西 保德 036600)

長(zhǎng)久以來(lái)煤礦堅(jiān)硬頂板的治理以爆破為主、注水弱化為輔，爆破法施工簡(jiǎn)單，但工程量大、污染井下環(huán)境，且對(duì)于高瓦斯礦井，還存在安全隱患。水力壓裂處理煤礦堅(jiān)硬頂板是一項(xiàng)新興技術(shù)，近年來(lái)，該技術(shù)在工作面初采期間的頂板控制方面得到廣泛應(yīng)用，通過(guò)對(duì)煤巖體實(shí)施水力壓裂作業(yè)，可以削弱頂板的強(qiáng)度和整體性，提高綜放工作面堅(jiān)硬頂板的冒放性[1]。

水力壓裂效果與巖石物理力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力等地質(zhì)力學(xué)條件及鉆孔布置壓裂參數(shù)有關(guān)。壓裂工程施工結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)對(duì)壓裂效果進(jìn)行整體分析評(píng)價(jià)，確保壓裂達(dá)到設(shè)計(jì)效果，才能保證工作面初采期間頂板及時(shí)垮落，減小初次來(lái)壓步距，避免造成大面積懸頂。若分析發(fā)現(xiàn)局部壓裂效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，還可進(jìn)行二次壓裂，避免回采期間再進(jìn)行補(bǔ)孔壓裂，減少對(duì)生產(chǎn)的影響。因此，選取合理方法準(zhǔn)確分析評(píng)價(jià)工作面初采前水力壓裂效果，是整個(gè)水力壓裂工程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。保德煤礦首次采用瞬變電磁法對(duì)81307綜放工作面初次放頂水力壓裂效果進(jìn)行分析，并現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)初采期間頂板垮落和礦壓顯現(xiàn)情況，驗(yàn)證瞬變電磁法能否有效分析工作面頂板水力壓裂效果。

1 水力壓裂試驗(yàn)區(qū)概況

保德煤礦目前開(kāi)采8#煤層為礦井首采煤層，位于二疊系山西組底界。三(下)盤(pán)區(qū)8#煤層受古河床沖刷影響，煤層基本頂為粗粒砂巖與中粒砂巖，厚度大、完整性好，平均抗壓強(qiáng)度達(dá)57MPa以上，屬堅(jiān)硬頂板。采用綜采放頂煤工藝開(kāi)采時(shí)，頂板初次垮落步距大，來(lái)壓強(qiáng)度高，伴隨著巷道瞬間底鼓和大規(guī)模片幫及支架壓死現(xiàn)象，底鼓最大達(dá)1.8m，嚴(yán)重影響到工作面的安全高效生產(chǎn)。礦井計(jì)劃回采前采用水力壓裂對(duì)工作面堅(jiān)硬頂板進(jìn)行欲裂弱化，縮小回采過(guò)程中懸頂面積，降低來(lái)壓強(qiáng)度，有效控制巷道變形，保證工作面安全生產(chǎn)。

首先選擇在81307綜放工作面實(shí)施初次放頂水力壓裂試驗(yàn)[2，3]。81307工作面位于保德煤礦三(上)盤(pán)區(qū)，開(kāi)采煤層為8#煤層，切眼段煤層受古河流沖刷影響煤層變薄，沖刷體切割煤層最大深度約2.8m，煤層厚度4.2～5.6m，平均厚度4.9m。切眼段煤層基本頂為薄層狀粗砂巖，平均厚度2.9m；上部為中粒砂巖，平均厚度10m以上，平均抗壓強(qiáng)度達(dá)60MPa以上，屬堅(jiān)硬難垮頂板。工作面切眼附近頂板巖層情況如圖1所示。

圖1 81307工作面切眼頂板巖層柱狀圖

2 81307工作面水力壓裂

2.1 水力壓裂方案設(shè)計(jì)

2.1.1 水力壓裂鉆孔布置

鉆孔施工采用ZDY1200S鉆機(jī)及配套鉆機(jī)平臺(tái)，鉆頭直徑56mm，鉆桿直徑42mm。根據(jù)工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)、層厚、采高(影響高度為其4～6倍)等參數(shù)，結(jié)合礦井安全生產(chǎn)要求，利用4種不同結(jié)構(gòu)鉆孔，促使壓裂裂縫有效溝通，確保對(duì)堅(jiān)硬頂板巖層的有效弱化，壓裂鉆孔布置如圖2所示。工作面共布置L孔13個(gè)，S孔31個(gè)，A孔3個(gè)，J孔7個(gè)，鉆孔參數(shù)為鉆孔參數(shù)為：壓裂鉆孔L，鉆孔長(zhǎng)度40m，傾角為25°；壓裂鉆孔S，鉆孔長(zhǎng)度38m，傾角為45°；壓裂鉆孔A，鉆孔長(zhǎng)度50m，傾角為30°；壓裂鉆孔J，鉆孔長(zhǎng)度25m，傾角為55°；13個(gè)L孔總進(jìn)尺520m，31個(gè)S孔總進(jìn)尺1178m，3個(gè)A孔總進(jìn)尺150m，7個(gè)J孔總進(jìn)尺175m，鉆孔總計(jì)進(jìn)尺2023m。

圖2 工作面水力壓裂鉆孔布置

2.1.2 水力壓裂初次放頂參數(shù)要求

1)L孔距孔口3m停止壓裂，其中L1、L2、L12、L13每隔2m壓裂一次，其余L孔每隔3m壓裂一次，每次壓裂時(shí)間為0.5h。

2)S孔距孔口4m停止壓裂，其中S1、S2、S13、S14每隔2m壓裂一次，其余S孔每隔3m壓裂一次，每次壓裂時(shí)間為0.5h。

3)A孔距孔口6m停止壓裂，每隔3m壓裂一次，每次壓裂時(shí)間為0.5h。

4)J孔距孔口3m停止壓裂，每隔3m壓裂一次，每次壓裂時(shí)間為0.5h。

6)特殊地段、異常區(qū)域要及時(shí)匯報(bào)并修改參數(shù)。

2.2 水力壓裂過(guò)程

采用手動(dòng)泵加壓封孔器，從鉆孔底部逐步向孔口處逐次壓裂，待壓力達(dá)到20MPa后停止加壓，觀察鉆孔并監(jiān)測(cè)壓力表，檢驗(yàn)封孔器能否保壓。然后慢慢加壓，同時(shí)記錄水泵壓力表以及手動(dòng)泵壓力表數(shù)據(jù)，繼續(xù)加壓直至預(yù)裂縫開(kāi)裂，這時(shí)壓力會(huì)突然下降，保壓注水使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，保壓注水壓裂時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓裂情況確定，前三處壓裂時(shí)間一般不少于30min，后幾處壓裂時(shí)間一般不少于20min，沿與裂紋方向形成橫向裂紋[4]。壓裂期間，發(fā)現(xiàn)切眼頂板、煤壁、周邊鉆孔或支護(hù)材料周?chē)杏兴疂B出或冒出時(shí)，立即停止壓裂。

鉆孔壓裂過(guò)程中泵壓主要集中在15～25MPa之間，81307工作面水力壓裂水壓變化如圖3所示。從圖3中可以看出，在水壓大于巖石抗拉強(qiáng)度后，在該處出現(xiàn)裂紋，并沿著一定的方向向周邊擴(kuò)展，形成一定的擴(kuò)散半徑，產(chǎn)生弱化帶。水壓整體穩(wěn)定擴(kuò)展，可以判定該區(qū)間巖層相對(duì)均質(zhì)。有部分鉆孔在孔深30m以上進(jìn)行壓裂時(shí)切眼頂板即有淋水現(xiàn)象，表明在頂板上存在較發(fā)育的原生裂隙，裂縫擴(kuò)展可達(dá)20～30m的范圍；局部波動(dòng)較大處為壓裂裂紋于巖層中存在的原生裂隙或采動(dòng)裂隙貫通所致。

圖3 81307工作面水力壓裂水壓變化曲線(xiàn)

3 壓裂效果檢驗(yàn)

3.1 檢驗(yàn)方法

工作面水壓壓裂工程施工完畢后，需采取有效的檢驗(yàn)方法對(duì)壓裂效果進(jìn)行檢驗(yàn)[5]。檢驗(yàn)方法可分為采前檢驗(yàn)和采后檢驗(yàn)。采前檢驗(yàn)可通過(guò)物探方法或鉆孔窺視技術(shù)，對(duì)壓裂前后頂板裂隙發(fā)育情況進(jìn)行分析，通過(guò)裂隙的擴(kuò)展程度來(lái)判斷水力壓裂效果。采后檢驗(yàn)常采用礦壓監(jiān)測(cè)和垮落步距統(tǒng)計(jì)的方式進(jìn)行分析，該方法較為科學(xué)且檢驗(yàn)結(jié)果更接近實(shí)際，但效果檢驗(yàn)時(shí)間較為滯后，工作面局部冒落后，再補(bǔ)充水力壓裂工程，增加了施工難度。因此，采用一種有效的采前檢驗(yàn)方法，在工作面安裝回采前便可檢驗(yàn)壓裂效果，對(duì)壓裂效果差的區(qū)域可以二次壓裂，以保證工作面頂板弱化程度達(dá)到有效控制工作面頂板垮落步距的要求。

工作面頂板水力壓裂后，頂板巖層在外加水壓作用下，當(dāng)巖體抗壓強(qiáng)度小于外加水壓會(huì)破裂，裂隙的延伸和擴(kuò)張使得本身充填更多的壓裂水，巖體周?chē)暮栽黾?。因此，壓裂過(guò)程中水在巖體空間內(nèi)分布和滲流特征，反映了水力壓裂裂縫空間展布特征[6]。采用瞬變電磁法探測(cè)壓裂前后頂板巖層富水性的變化，可以推斷水力壓裂裂縫空間展布變化，從而判斷水力壓裂效果。

保德煤礦81307工作面頂板為厚層中粒砂巖，均質(zhì)致密，富水性弱，電性特征明顯。因此，采用瞬變電磁法來(lái)探查水力壓裂前后頂板巖層富水性變化及分布范圍，分析水力壓裂的效果[7-15]。最后，根據(jù)工作面初采過(guò)程中實(shí)際頂板垮落情況，來(lái)印證推分析效果檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

3.2 瞬變電磁檢驗(yàn)

3.2.1 瞬變電磁探測(cè)設(shè)計(jì)

本次效果檢驗(yàn)采用YCS40(A)礦用瞬變電磁儀，由于切眼頂幫為錨網(wǎng)支護(hù)方式，金屬體對(duì)瞬變電磁0～20m范圍內(nèi)探測(cè)效果干擾較大。因此，本次瞬變電磁探測(cè)深度選擇為20～80m范圍，對(duì)應(yīng)巷道頂板以上14～56m范圍內(nèi)巖層。測(cè)線(xiàn)布置方法：布置一條測(cè)線(xiàn)，測(cè)線(xiàn)為沿頂板45°橫掃描類(lèi)型。由81307綜放工作面機(jī)頭至機(jī)尾進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，每隔10m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)25個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度共計(jì)240m。

3.2.2 瞬變電磁探測(cè)成果分析

物探隊(duì)分別在水力壓裂前和水力壓裂后按設(shè)計(jì)測(cè)線(xiàn)進(jìn)行探測(cè)，為更加準(zhǔn)確反映巖層富水性，有效探測(cè)深度選取20～80m。壓裂前和壓裂后的頂板45°方向瞬變電磁探測(cè)成果如圖4所示。由圖4(a)可知，工作面頂板巖層富水性較弱，相對(duì)高阻區(qū)域可能為頂板裂隙相對(duì)發(fā)育導(dǎo)致；由圖4(b)可知，通過(guò)分析水力壓裂期間電阻率的變化，可以看出注水壓裂過(guò)程中砂巖頂板的視電阻率開(kāi)始降低，原相對(duì)高阻區(qū)域率先變?yōu)榈妥鑵^(qū)，說(shuō)明原巖裂隙發(fā)育的部分更有利于高壓水的滲流。

圖4 81307切眼頂板45°方向瞬變電磁探測(cè)成果

綜上，通過(guò)壓裂前后物探成果的對(duì)比，可以推斷在Y方向20～30m探測(cè)深度范圍內(nèi)(對(duì)應(yīng)切眼頂板14～21m范圍內(nèi))水力壓裂產(chǎn)生的裂隙較多，該區(qū)域正處于L、S兩組壓裂鉆孔控制范圍之內(nèi)；在X方向0～38m、50～70m、80～150m、190～205m探測(cè)范圍內(nèi)水力壓裂后裂隙發(fā)育程度較好。從圖4(b)80～150m范圍低阻異常區(qū)可以推斷，水力壓裂后裂隙擴(kuò)展至頂板上方56m，說(shuō)明該區(qū)域巖層原生裂隙發(fā)育。

3.3 初采期間頂板垮落與壓力顯現(xiàn)情況

81307綜放工作面從2018年4月4日開(kāi)始初采，初采期間不放煤，頂板未垮落。4月7日，工作面推進(jìn)至距機(jī)頭17.5m(機(jī)尾18.6m)處，工作面頂煤大面積垮落，5#—31#架、64#—82#架基本頂分層垮落，巖性為粗粒砂巖，厚度約2.0m左右。4月10日，工作面推進(jìn)至距機(jī)頭31m(機(jī)尾32.2m)后，工作面機(jī)頭至機(jī)尾113#架(197m)范圍內(nèi)，頂板逐步分層垮落。工作面頂煤與頂板粗粒砂巖大范圍整體垮落，但上部厚度10m左右中粒砂巖只在58#—71#架范圍內(nèi)垮落。特別是機(jī)尾，頂板垮落相對(duì)滯后，工作面老頂未垮落。

4月11日，開(kāi)始利用A3、A4備用鉆孔對(duì)機(jī)尾頂板堅(jiān)硬巖層進(jìn)行補(bǔ)充水力壓裂，壓裂孔孔深約60m，采用分段壓裂。4月13日中班，工作面推進(jìn)至距機(jī)頭45.3m(機(jī)尾48m)處，工作面頂板初次來(lái)壓，工作面老頂開(kāi)始斷裂垮落，機(jī)尾頂板也開(kāi)始垮落。初次來(lái)壓步距較81306工作面初次來(lái)壓步距減小，水力壓裂起到了弱化頂板的效果。

從工作面推進(jìn)過(guò)程中垮落情況及礦壓變化情況可以看出，工作面老頂中粒砂巖巖層最先開(kāi)始垮落，區(qū)域主要集中在瞬變電磁探測(cè)低阻區(qū)域范圍內(nèi)。工作面113#至機(jī)尾垮落程度不理想，該區(qū)段也正與圖4(b)中200～240m范圍內(nèi)的探測(cè)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。工作面初次來(lái)壓前，上部中粒砂巖頂板最先垮落的位置在58#—71#架范圍，與圖4(b)中80～140m大范圍低阻異常區(qū)探測(cè)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。通過(guò)工作面頂板實(shí)際垮落程度和瞬變電磁探測(cè)分析成果對(duì)比，在水平和縱向空間內(nèi)兩者相吻合。

4 結(jié) 論

通過(guò)采用瞬變電磁法探測(cè)81307工作面水力壓裂前后的電性差異，分析初采前堅(jiān)硬頂板水力壓裂效果，得到如下結(jié)論：

1)采用瞬變電磁探測(cè)低阻異常區(qū)能夠反映出頂板水力壓裂后水流場(chǎng)和裂隙擴(kuò)展范圍。

2)瞬變電磁法在頂板水力壓裂效果的檢驗(yàn)中有一定適用性，通過(guò)對(duì)比壓裂前后瞬變電磁探測(cè)成果中視電阻率變化的范圍，可以預(yù)測(cè)壓裂效果。

3)由于巖層的不均一性，要通過(guò)一次壓裂來(lái)達(dá)到整體弱化頂板巖層比較困難?？筛鶕?jù)瞬變電磁分析結(jié)果，對(duì)壓裂效果較差的范圍進(jìn)行二次壓裂，保證達(dá)到理想壓裂效果。