鐘坤，陳衛(wèi)忠，趙武勝，秦長(zhǎng)坤，曹懷軒，謝華東

(1. 中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430071；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京，100049；3. 兗礦能源集團(tuán)股份有限公司，山東 鄒城，273500)

高位巨厚堅(jiān)硬巖層是一種特殊的巖層賦存形式，在我國(guó)多個(gè)礦區(qū)均有分布[1]，如淮北、兗州和大同煤田等[2]。煤層上方堅(jiān)硬頂板是影響沖擊地壓發(fā)生的重要因素之一。一方面，由于巨厚巖層傳遞應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和煤層的耦合作用增加了煤巖體靜載荷的集聚，為沖擊地壓的發(fā)生提供了力源條件[3-4]；另一方面，隨著工作面不斷推進(jìn)，采空區(qū)形成大面積懸頂，堅(jiān)硬頂板一旦滑移、垮塌或者受爆破重復(fù)采動(dòng)影響，激發(fā)的地震波將以動(dòng)載形式傳播，為沖擊地壓的發(fā)生提供了動(dòng)載條件[5-6]。譚云亮等[7]指出堅(jiān)硬頂板沖擊地壓防治的第一要?jiǎng)?wù)是控制厚層堅(jiān)硬頂板斷裂；潘俊鋒等[8]提出動(dòng)靜載分源防控技術(shù)，采取“鉆孔-水射流切縫-高壓水壓裂”一體化多縫同時(shí)切割技術(shù)，深度弱化頂板，消除動(dòng)載源；齊慶新等[9-10]提出深孔爆破斷頂技術(shù)和“橫切縱斷”卸荷消能一體化防控技術(shù)用于堅(jiān)硬頂板治理。張明等[11]根據(jù)關(guān)鍵工作面評(píng)估指標(biāo)，提出了巨厚巖層關(guān)鍵工作面“防沖-減震”的開采優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

水力壓裂技術(shù)可用于治理堅(jiān)硬頂板懸頂問題。HUANG等[12-13]針對(duì)采煤工作面端頭懸頂、切眼堅(jiān)硬頂板以及中部懸頂?shù)炔煌r和不同類型工程特點(diǎn)，進(jìn)行小孔徑(直徑為32 mm)致裂鉆孔施工，使用高壓泵對(duì)頂板進(jìn)行高壓水壓致裂，單孔的裂縫延伸范圍大于8 m，最大裂縫延伸范圍為10～17 m；HE 等[14]提出多層位水平定向割縫壓裂技術(shù)，在鉆孔中切出初始溝槽，然后注入高壓液體以破碎巖石，發(fā)現(xiàn)深度可達(dá)20 m，致裂半徑超過13 m；馮彥軍等[15]利用KZ54型切槽鉆頭在壓裂孔堅(jiān)硬頂板預(yù)制橫向切槽，并使用跨式膨脹型封隔器在同一鉆孔進(jìn)行逐次壓裂，裂縫擴(kuò)展半徑可達(dá)20 m。水力壓裂效果的監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)仍是難點(diǎn)，因此，學(xué)者們對(duì)堅(jiān)硬頂板水力壓裂效果展開了研究?？导t普等[16]利用空心包體應(yīng)力計(jì)，通過觀察壓裂前后鉆孔附近煤層和工作面前方煤層應(yīng)力變化評(píng)價(jià)壓裂效果；于斌等[17]通過水力壓裂前后工作面礦壓及頂板下沉量等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)壓裂效果；閆江平等[18]通過微震監(jiān)測(cè)圈定水力壓裂破壞范圍及判定壓裂效果；趙善坤等[19]采用鉆孔窺視、煤層應(yīng)力監(jiān)測(cè)、微震監(jiān)測(cè)等手段對(duì)比分析了壓裂前后的防沖效果。

本文作者選取具有巨厚砂巖堅(jiān)硬頂板的東灘煤礦6303 工作面為研究對(duì)象，采用定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行治理，并對(duì)工作面開采過程中的采動(dòng)應(yīng)力及微震事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過分析壓裂前后頂板三維應(yīng)力及微震能量演化規(guī)律，對(duì)長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)的防治效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 巖層特征

1.1 地質(zhì)賦存特征

兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦六采區(qū)煤層及頂?shù)装迩闆r見圖1。六采區(qū)工作面頂板150 m 范圍內(nèi)主要關(guān)鍵層有3層：1)距離煤層頂板15～65 m的下石盒子組砂巖層，厚度為50 m；2)距離煤層頂板102～113 m的下侏羅統(tǒng)下段下亞段砂巖層，厚度為11 m；3) 距離煤層頂板136～153 m 的下侏羅統(tǒng)下段上亞段砂巖層，厚度為17 m。東灘礦六采區(qū)回采期間采空區(qū)冒落高度約30 m，達(dá)到了第一層砂巖層的高度。

圖1 鉆孔直方圖Fig.1 Drilling histogram

為研究堅(jiān)硬頂板巖層基本力學(xué)強(qiáng)度特征，從頂板鉆取關(guān)鍵層巖樣，將其制成標(biāo)準(zhǔn)試樣開展單軸試驗(yàn)，巖樣單軸抗壓強(qiáng)度為45.29～80.57 MPa，抗拉強(qiáng)度2.02～2.50 MPa，在10～20 MPa 法向應(yīng)力作用下所承受的最大抗剪強(qiáng)度為3.70～7.73 MPa。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該頂板關(guān)鍵層的巖性為堅(jiān)硬巖石，抗壓及抗拉強(qiáng)度大，抵抗彎曲、斷裂的能力強(qiáng)，在采煤過程中不能及時(shí)破斷從而易集聚大量能量。

1.2 微震事件概況

六采區(qū)各工作面開采順序依次是6304 工作面→6305 工作面→6303 工作面。6303 工作面北側(cè)的順槽作為運(yùn)順，長(zhǎng)1 147 m，南側(cè)的順槽作為軌順，長(zhǎng)1 167 m，兩順槽間距為245 m，南面與已形成采空區(qū)的6304 和6305 工作面相鄰，如圖2 所示。6304 和6305 工作面在整個(gè)開采過程中發(fā)生的1.5級(jí)以上微震事件分別累計(jì)131次和158次，其位置分布如圖3所示。通過對(duì)大能量微震事件發(fā)生的垂直位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，監(jiān)測(cè)的1.5級(jí)以上微震事件發(fā)生層位均在工作面后方采空區(qū)內(nèi)的-560～-440 m之內(nèi)，即震源在3煤層上方90～180 m，該層位正好覆蓋頂板上方3個(gè)主要關(guān)鍵層，可見引起微震發(fā)生的主要原因是關(guān)鍵巖層的突然破斷和能量釋放。

圖2 六采區(qū)平面簡(jiǎn)圖Fig.2 Plane sketch of No.6 mining area

圖3 1.5級(jí)以上微震事件平面位置分布Fig.3 Plane locations of microseismic events with magnitudes larger than 1.5

2 頂板分段水力壓裂及監(jiān)測(cè)方案

2.1 定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂機(jī)理

水力壓裂通過對(duì)巖體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造及物理化學(xué)作用，弱化巖體的力學(xué)性能，降低頂板巖石的整體強(qiáng)度[13]。長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)可在同一鉆孔中形成多個(gè)壓裂段，促使巖層形成新的壓裂主裂縫，裂縫在大量壓裂液注入的情況下不斷向外延伸，在巖層節(jié)理或裂縫位置不斷擴(kuò)展，衍生多級(jí)次生裂縫，進(jìn)而形成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。分段水力壓裂控制原理如圖4所示。采用定向長(zhǎng)鉆孔施工技術(shù)，使鉆孔到達(dá)工作面上方的目標(biāo)層位，將壓裂成套裝備組合推送至孔底壓裂段位置，完成第一段壓裂施工后，將壓裂設(shè)備定向拖動(dòng)至第二段壓裂施工處開展該壓裂段施工，依此類推，逐步實(shí)現(xiàn)分段水力壓裂施工，形成一套以高壓壓裂裂縫為主、多級(jí)裂縫延伸的壓裂弱化縫網(wǎng)體系。

圖4 分段水力壓裂控制原理Fig.4 Control principle of staged hydraulic fracturing

在壓裂過程中，堅(jiān)硬頂板受到高壓壓裂液的作用，經(jīng)歷“起裂—裂縫延伸—循環(huán)起裂”過程[20]，該過程伴隨應(yīng)力釋放、能量耗散，是單一不可逆過程。通過壓裂縫釋放應(yīng)力和耗散能量以降低應(yīng)力和能量集中程度，同時(shí)，頂板集聚的能量因隨采隨冒而得以及時(shí)釋放，使動(dòng)靜載疊加應(yīng)力一直保持在小于沖擊閾值的水平。

2.2 鉆孔布置和水力壓裂參數(shù)設(shè)置

水力壓裂層位的選擇需要考慮采空區(qū)冒落高度，并使得垮落帶直接頂和基本頂分層碎脹后能填滿采空區(qū)空間[12,19]。另外，對(duì)于定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂方式，主要考慮破斷釋放能量最大、礦壓作用最強(qiáng)烈的關(guān)鍵層。由1.1節(jié)可知回采期間采空區(qū)冒落高度位于第1關(guān)鍵層，并且考慮到關(guān)鍵層對(duì)巖層運(yùn)動(dòng)以及破斷的控制作用，鉆孔主要布置在該層位。本次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)共施工4個(gè)鉆孔，向?qū)嶓w煤上方頂板鉆進(jìn)，其中1號(hào)鉆孔布置在離煤層大約170 m 的高位關(guān)鍵層中，其他3 個(gè)鉆孔布置在距煤層30～40 m的第1砂巖關(guān)鍵層。采用的鉆孔設(shè)備及壓裂裝置由中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司自主研發(fā)，具體施工工藝及設(shè)備見文獻(xiàn)[20]。為提高壓裂效果，增大壓裂區(qū)域，以不斷變化的角度鉆進(jìn)，4 個(gè)鉆孔的鉆進(jìn)軌跡剖面圖如圖5 所示，鉆孔及分段壓裂點(diǎn)水平分布如圖6所示。1號(hào)鉆孔施工長(zhǎng)度為792 m，共完成3段壓裂；2號(hào)鉆孔長(zhǎng)度為602 m。在壓裂過程中，由于孔內(nèi)塌孔，只完成1 段壓裂；3號(hào)鉆孔鉆進(jìn)總深度為596 m，共完成14 個(gè)壓裂段；4 號(hào)鉆孔總深度519 m，第1 次壓裂在465 m 處進(jìn)行，總共完成10段壓裂。

圖5 鉆孔軌跡剖面圖Fig.5 Drilling-hole trajectory profile

圖6 鉆孔分段壓裂點(diǎn)及監(jiān)測(cè)斷面分布Fig.6 Layout of staged fracturing points of drilling-holes and monitoring sections

2.3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案

鑒于堅(jiān)硬頂板礦井動(dòng)靜載受力特征及應(yīng)力監(jiān)測(cè)、微震監(jiān)測(cè)存在相應(yīng)的“盲區(qū)”[21]，為提高沖擊地壓監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠度及對(duì)防沖措施進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，采用頂板巖層三維應(yīng)力和微震監(jiān)測(cè)技術(shù)分別對(duì)頂板巖層三維應(yīng)力和微震事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。三維應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖7所示，主要由井下部分的光纖光柵三維應(yīng)力傳感器、光纖解調(diào)儀及井上部分的數(shù)據(jù)采集及后處理軟件組成。傳感器結(jié)構(gòu)組成及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法見文獻(xiàn)[22-23]。在6303 工作面軌順上方頂板布置8 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，相鄰監(jiān)測(cè)斷面間距90 m，第1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面位于軌順420 m 位置處，第2 個(gè)斷面位于軌順510 m 位置處，監(jiān)測(cè)斷面3～8 依此類推。鉆孔深度為15～20 m，開孔高度為3 m，傾角為35°，鉆孔穿過偽頂，深入煤層上方頂板。采用SOS 微震系統(tǒng)對(duì)6303工作面回采期間的微震事件情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括井上設(shè)備和井下設(shè)備兩部分，井下部分由多個(gè)集拾震、磁電信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大增益及發(fā)射等功能為一體的檢波測(cè)量探頭組成，獲取采區(qū)內(nèi)微震信號(hào)，通過電纜將其傳輸?shù)叫盘?hào)采集站；井上部分的微震信號(hào)采集站向檢波測(cè)量探頭供電并采集獲得微震信號(hào)，信號(hào)記錄儀將微震信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過處理軟件完成三維空間定位、震級(jí)及震動(dòng)能量計(jì)算。該工作面周圍共布置由4 個(gè)微震探頭(四采擴(kuò)大區(qū)軌道巷和6304 軌順聯(lián)各布置1個(gè)，南翼總回風(fēng)巷布置2個(gè))，以滿足6303工作面回采監(jiān)測(cè)需要。監(jiān)測(cè)斷面布置見圖6。

圖7 動(dòng)靜載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.7 Diagram of dynamic and static loads monitoring system

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與致裂效果評(píng)價(jià)

3.1 壓裂過程中典型壓力及流量曲線

水力壓裂過程中各壓裂段典型的壓力及流量變化曲線如圖8所示。井下水力壓裂監(jiān)測(cè)儀獲得的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，不同壓裂段的初始破裂壓力不同，最小初始破裂壓力約為18 MPa，最大初始破裂壓力超過25 MPa。在一些壓裂段，有多個(gè)明顯破裂過程，在裂縫擴(kuò)展過程中，壓力發(fā)生劇烈變化，1 號(hào)鉆孔的壓裂段1 和3 的壓裂效果良好，壓裂期間每段出現(xiàn)明顯壓降2次，典型的壓裂曲線見圖8(a)；3號(hào)鉆孔的4～6段壓裂段以及4號(hào)鉆孔的第1 和2 段壓裂段也均出現(xiàn)2 次壓降，典型的壓裂曲線分別見圖8(b)和圖8(c)；其余鉆孔壓裂段由于受巖層條件及流量限制，僅出現(xiàn)1次壓降或未出現(xiàn)明顯壓降，破裂情況以微破裂為主，壓力降低幅值不超過10 MPa，典型的壓裂曲線見圖8(d)。壓裂開始后，各壓裂段泵壓逐漸升高，壓裂期間出現(xiàn)壓降，隨后壓力恢復(fù)，停止泵注后，水壓迅速降至0 MPa。每段注水量均超過50 m3。

圖8 壓裂過程泵注壓力及泵注流量曲線Fig.8 Curves of pumping pressure and flow rate in fracturing process

3.2 基于壓裂前后采動(dòng)應(yīng)力變化的壓裂效果分析

采場(chǎng)圍巖應(yīng)力演化規(guī)律與頂板運(yùn)動(dòng)及覆巖結(jié)構(gòu)特征存在一定關(guān)系。由于上覆堅(jiān)硬巖層懸頂，采場(chǎng)圍巖超前應(yīng)力影響范圍大，支承壓力高，應(yīng)力集中系數(shù)大；另外，較大面積的懸頂隨工作面推進(jìn)而突然冒落，大量彈性能釋放形成礦震從而導(dǎo)致煤巖體中的應(yīng)力增大[24]，動(dòng)靜載疊加應(yīng)力一旦超過煤巖體沖擊破壞的臨界應(yīng)力，將會(huì)誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害。頂板懸頂長(zhǎng)度越大，集聚的能量也越多，應(yīng)力集中范圍也越大。應(yīng)力演化規(guī)律實(shí)際上反映的是頂板巖層結(jié)構(gòu)特征，如果水力壓裂后應(yīng)力集中程度減弱尤其是支承壓力下降，那么儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能降低，說明巖層破碎效果良好，能量及時(shí)釋放，懸頂問題得到解決。因此，可以根據(jù)壓裂前后應(yīng)力場(chǎng)的演化規(guī)律來對(duì)壓裂效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2.1 水力壓裂前三維采動(dòng)應(yīng)力演化特征

以開采方向即順槽走向?yàn)閤方向，順槽傾向?yàn)閥方向，豎向?yàn)閦方向，建立采區(qū)局部坐標(biāo)系，如圖6所示。在定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂之前，煤層上方頂板巖層三維應(yīng)力變化僅受采動(dòng)影響。應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面Ⅰ至Ⅳ僅受采場(chǎng)擾動(dòng)影響，下面以其中2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面為例進(jìn)行說明。圖9(a)所示為工作面推進(jìn)過程中監(jiān)測(cè)斷面Ⅱ的應(yīng)力變化曲線，其中σx，σy和σz分別為x，y和z方向的正應(yīng)力。當(dāng)工作面推進(jìn)至離監(jiān)測(cè)斷面約80 m 時(shí)應(yīng)力開始增大，豎向應(yīng)力σz迅速上升并超過水平應(yīng)力σx和σy；當(dāng)工作面距離監(jiān)測(cè)斷面約50 m 時(shí)，頂板巖層的豎向應(yīng)力增速變快，表明此時(shí)采動(dòng)的影響加劇，并在離監(jiān)測(cè)斷面20 m達(dá)到應(yīng)力峰值。在采動(dòng)影響下，z方向應(yīng)力從26.0 MPa上升到57.0 MPa，豎向方向的應(yīng)力集中系數(shù)為2.2。2個(gè)水平方向的應(yīng)力增幅明顯比豎直方向的小，x方向應(yīng)力從18.0 MPa增大到25.0 MPa，y方向應(yīng)力從34.5 MPa增大到41.0 MPa。

在采動(dòng)影響下，前方上覆巖層的壓力逐漸轉(zhuǎn)移至頂板巖層上，頂板巖層3個(gè)方向正應(yīng)力均不斷增加，且垂直方向正應(yīng)力增加明顯比2個(gè)水平方向的大。當(dāng)工作面推進(jìn)至距離監(jiān)測(cè)斷面約45 m時(shí)，z方向正應(yīng)力超過x和y方向正應(yīng)力，說明豎直方向正應(yīng)力開始占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖9(b)所示為工作面推進(jìn)過程中監(jiān)測(cè)斷面Ⅲ的應(yīng)力變化曲線，該監(jiān)測(cè)斷面的應(yīng)力演化規(guī)律和監(jiān)測(cè)斷面Ⅱ的非常類似，3 個(gè)方向正應(yīng)力中以豎向應(yīng)力增加為主。從水力壓裂前的應(yīng)力變化曲線可知，開采擾動(dòng)對(duì)頂板巖層的豎向應(yīng)力影響最大，隨著工作面不斷推進(jìn)，頂板巖層受到擾動(dòng)，應(yīng)力重新分布，并傳遞至煤層，對(duì)頂煤和工作面產(chǎn)生間接影響，形成高靜載集中區(qū)，為誘發(fā)沖擊地壓提供了力源條件。

圖9 水力壓裂前頂板三向正應(yīng)力變化曲線Fig.9 Variation curves of three normal stresses in roof before hydraulic fracturing

3.2.2 水力壓裂后三維采動(dòng)應(yīng)力演化特征

三維采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面Ⅴ至Ⅶ同時(shí)受水力壓裂和開采擾動(dòng)的影響，現(xiàn)以Ⅴ和Ⅶ這2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面為例進(jìn)行說明。圖10(a)所示為工作面推進(jìn)過程中監(jiān)測(cè)斷面Ⅴ的應(yīng)力變化曲線。由圖10(a)可知：3個(gè)方向正應(yīng)力隨工作面推進(jìn)過程基本保持平衡；當(dāng)工作面推進(jìn)至距離該監(jiān)測(cè)斷面80～90 m時(shí)，豎向應(yīng)力存在一個(gè)突然上升的階段，此時(shí)，前3段壓裂均已經(jīng)完成，正在進(jìn)行第4段壓裂，壓裂過程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)上方頂板巖層出現(xiàn)錯(cuò)斷現(xiàn)象，頂板來壓導(dǎo)致豎向應(yīng)力上升。工作面整個(gè)推進(jìn)過程采動(dòng)應(yīng)力沒有顯著增大，采煤過程頂板隨采隨冒，頂板來壓現(xiàn)象不明顯，壓裂降低應(yīng)力集中的效果顯著。

圖10(b)所示為受水力壓裂影響的監(jiān)測(cè)斷面Ⅶ的采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律。從圖10(b)可知：在水力壓裂后采動(dòng)影響下，x方向水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力緩慢增加，y方向水平應(yīng)力基本保持不變，x方向應(yīng)力從18.3 MPa 增加到24.2 MPa，z方向應(yīng)力從22.8 MPa增加到25.0 MPa，3個(gè)方向正應(yīng)力的最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.32。當(dāng)采用傳統(tǒng)的水力壓裂方式時(shí)，采動(dòng)影響下，應(yīng)力集中系數(shù)由2.53 下降到1.94[23]；本文采用長(zhǎng)鉆孔定向分段水力壓裂法，采動(dòng)影響下應(yīng)力集中系數(shù)由2.2下降到1.3，下降幅度更大，且壓裂影響范圍更廣，說明定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)具有更好的致裂效果。

對(duì)比圖10(a)和圖10(b)的應(yīng)力演化曲線可知，水力壓裂后，監(jiān)測(cè)斷面Ⅴ的應(yīng)力降低幅度比監(jiān)測(cè)斷面Ⅶ的應(yīng)力降低幅度更顯著，結(jié)合圖6 所示壓裂段位置可知，3號(hào)孔第4壓裂段、4號(hào)孔第1壓裂段以及2號(hào)孔第1壓裂段的連線基本垂直于工作面走向方向且距離該監(jiān)測(cè)點(diǎn)較近，說明壓裂段空間布置關(guān)系和地應(yīng)力的方向?qū)?jiān)硬頂板的破裂有很大影響。

圖10 水力壓裂后頂板三向正應(yīng)力變化曲線Fig.10 Variation curves of three normal stresses in roof after hydraulic fracturing

根據(jù)水力壓裂前后采動(dòng)影響下頂板巖層應(yīng)力的演化規(guī)律可知，壓裂后各監(jiān)測(cè)斷面采動(dòng)應(yīng)力集中程度大幅度降低，頂板來壓減弱；壓裂之后各監(jiān)測(cè)斷面采動(dòng)應(yīng)力的變化規(guī)律不完全一致，說明壓裂效果與該部位的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。

在采動(dòng)疊加影響下，煤和巖體積累了大量的彈性能，開采擾動(dòng)下煤巖體應(yīng)力重新調(diào)整，應(yīng)變能密度不斷變化。應(yīng)變能密度v是反映煤巖體穩(wěn)定性的重要參數(shù)，可以表示為

式中：E為頂板巖石的彈性模量，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果取為15 GPa；μ為巖石的泊松比，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果取值0.27；σ1，σ2和σ3分別為作用在巖石上的第一、第二和第三主應(yīng)力。

頂板巖石彈性應(yīng)變能密度變化曲線如圖11 所示。由圖11 可見：能量密度演化曲線與豎向應(yīng)力演化曲線類似，水力壓裂前監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)變能密度曲線發(fā)生顯著變化，監(jiān)測(cè)斷面Ⅱ的應(yīng)變能密度從83 kJ/m3上升到峰值約260 kJ/m3，監(jiān)測(cè)斷面Ⅲ的彈性應(yīng)變能密度由70 kJ/m3上升到峰值約220 kJ/m3。水力壓裂之后，監(jiān)測(cè)斷面Ⅴ和監(jiān)測(cè)斷面Ⅶ的應(yīng)變能密度隨工作面推進(jìn)略有變化。

圖11 頂板巖石彈性應(yīng)變能密度變化曲線Fig.11 Change curves of strain energy density in roof

綜上所述，無論是從頂板巖層三維應(yīng)力狀態(tài)的演化規(guī)律還是從應(yīng)變能密度角度分析，水力壓裂后各監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)力集中程度大幅度降低，彈性應(yīng)變能不再受采動(dòng)影響而迅速集聚。通過長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂的方法，有效地切割了頂板巖層，破壞其整體性。隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)范圍擴(kuò)大，頂板逐漸垮落，避免了懸頂，可有效緩解局部應(yīng)力集中和能量積累。

3.2.3 壓裂影響范圍監(jiān)測(cè)

統(tǒng)計(jì)鉆孔壓裂段完成時(shí)工作面推進(jìn)距離以及各個(gè)壓裂段和三維應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最近距離，結(jié)果如圖12 所示，其中壓裂點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)連線距離為它們之間的空間間距。由圖12可知：2號(hào)鉆孔壓裂段1 與應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)5 距離最近，距離為59.5 m，結(jié)合3.2.2 節(jié)分析可知該監(jiān)測(cè)點(diǎn)也是應(yīng)力降低效果最好的位置，初步判別壓裂影響范圍超過59.5 m。與傳統(tǒng)的短鉆小孔徑壓裂方式相比[12-15,18,25]，定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂法覆蓋范圍大，壓裂范圍廣，效果更顯著。

圖12 壓裂段與應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離Fig.12 Distance between fracturing section and stress monitoring point

3.3 基于壓裂前后微震監(jiān)測(cè)變化的壓裂效果分析

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析，6303 工作面微震事件絕大多數(shù)發(fā)生在開采工作面后方300 m 范圍內(nèi)的采空區(qū)，豎直方向距離3上煤層(見圖5)頂板20～200 m，各個(gè)關(guān)鍵層均有分布。故可以通過分析工作面推進(jìn)甚至推過后，長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂施工前后水力致裂區(qū)域微震日能量總和、日微震頻次和震級(jí)等參數(shù)變化情況，對(duì)該區(qū)域水力壓裂效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.3.1 水力壓裂前微震分布特征

東灘煤礦6303 工作面從2018-11-20 開始回采，開采前期工作面未實(shí)施水力壓裂措施時(shí)微震事件日能量總和Ed、日震動(dòng)頻次fa及最大震級(jí)Smax隨時(shí)間的變化如圖13所示。從圖13可見：開采初期微震事件數(shù)較少，微震頻次及能量較低，從12月11 日開始，微震事件日頻次逐漸增多，這是因?yàn)閯傞_采初次來壓之前，頂板較穩(wěn)定，而初次來壓之后頂板巖層出現(xiàn)頂板裂縫擴(kuò)張現(xiàn)象，垮落斷裂導(dǎo)致微震事件迅速增多；在2018-11-20 至2018-12-31這一段時(shí)間內(nèi)沒有出現(xiàn)超過2.0級(jí)的微震事件，也沒有出現(xiàn)沖擊地壓顯現(xiàn)的情況。該段時(shí)間屬于初采期間，回采速度慢，沒有形成較大采空區(qū)，頂板較穩(wěn)定。隨著工作面的推進(jìn)，懸頂問題開始顯現(xiàn)，2.0 級(jí)以上微震事件時(shí)有發(fā)生且呈周期性變化，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知這些大能量微震事件的震源位置幾乎都位于采空區(qū)。在大能量微震出現(xiàn)之前，每日微震發(fā)生頻次和能量總和呈穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)或緩慢增大狀態(tài)，預(yù)示著能量有一個(gè)不斷集聚的過程，直至能量突然釋放，大能量微震事件顯現(xiàn)，這也是“懸頂出現(xiàn)→懸頂面積不斷擴(kuò)大→懸頂斷裂能量釋放”周期性發(fā)生的過程。

圖13 頂板壓裂前微震事件統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.13 Statistics of microseismic events for roof rock before fracturing

3.3.2 水力壓裂后微震分布特征

1 號(hào)鉆孔于2019-05-18 至2019-05-24 進(jìn)行了第3 段壓裂段施工，此時(shí)工作面推進(jìn)至443.2 m，第3 段壓裂段在軌順上的投影位置范圍為540～630 m。選取震源位置位于該壓裂段及附近的微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)的微震事件集中發(fā)生在2019-07-21 至2019-08-30，微震事件日能量總和、日震動(dòng)頻次及最大震級(jí)變化曲線如圖14所示。由圖14(a)可知：與壓裂前礦震事件相比，壓裂后能量釋放緩和且均勻，沒有超過2.0級(jí)的微震事件發(fā)生，工作面每推進(jìn)1 m 平均釋放能量為4～8 kJ，微震監(jiān)測(cè)到的日平均能量由壓裂前的100 kJ/d下降到壓裂后的10 kJ/d左右，下降了1個(gè)數(shù)量級(jí)。

2019-09-02，4個(gè)鉆孔的所有壓裂段均施工完畢，特選取所有壓裂段完成后的微震事件進(jìn)行分析，典型的微震特征曲線變化如圖14(b)所示。由圖14(b)可知：2019-11-21至2019-12-31期間，雖然能量總體保持平穩(wěn)，但偶爾有1.5級(jí)的微震事件發(fā)生，致裂效果較弱。結(jié)合鉆孔壓裂位置以及壓裂時(shí)間、震源位置等信息，發(fā)現(xiàn)致裂效果受壓裂層位、壓裂段施工降壓次數(shù)等因素影響，1號(hào)鉆孔壓裂段位于高層位，對(duì)該層位以下的煤巖層起到整體控制作用。另外，該鉆孔第1和3壓裂段均有2 次明顯壓降(見圖8)，巖層破裂效果明顯，因此，該時(shí)間段區(qū)域范圍致裂效果顯著，如圖14(a)所示。而在圖14(b)中所示時(shí)間段內(nèi)震源位置接近停采線，該區(qū)域只受到3號(hào)鉆孔和4號(hào)鉆孔中接近停采線位置的壓裂段影響，且這幾個(gè)壓裂段均只有1次壓降(見圖8)，破裂以微破裂為主，因此，致裂效果減弱。

圖14 頂板壓裂后微震事件統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.14 Statistics of microseismic events for roof rock after fracturing

由壓裂前后微震事件分布規(guī)律變化可知，壓裂前微震頻次低但能量很高，且高能量微震事件呈周期性出現(xiàn)趨勢(shì)。這是因?yàn)閴毫亚绊敯遢^為完整，懸頂突然破斷對(duì)應(yīng)大能量微震事件，微破裂事件少，導(dǎo)致微震事件發(fā)生頻率低。頂板壓裂后由于形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，其完整性大幅下降，采動(dòng)過程中破裂事件增多而單次釋放的能量大幅度降低。壓裂避免了大能量微震事件的發(fā)生，頂板集聚的能量及時(shí)得到釋放，為沖擊地壓的防治起到了降低動(dòng)載擾動(dòng)的作用。

4 結(jié)論

1)水力壓裂效果受壓裂層位、三維應(yīng)力狀態(tài)、各壓裂段空間位置關(guān)系以及壓裂施工過程降壓次數(shù)等因素的影響。

2)水力壓裂后頂板巖層三維應(yīng)力演化規(guī)律發(fā)生改變，隨工作面推進(jìn)，各應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面垂直應(yīng)力增大趨勢(shì)大幅度下降，超前支承壓力影響范圍減小，頂板巖層應(yīng)力集中系數(shù)顯著降低，彈性應(yīng)變能集聚程度大幅下降，最大主應(yīng)力方向改變，由壓裂前的豎直方向變?yōu)樗椒较?。微震能量釋放趨于均勻化，日平均釋放能量下降約1 個(gè)數(shù)量級(jí)，平均空間能量釋放率為4～8 kJ/m，壓裂前后由低頻高能狀態(tài)向高頻低能狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

3)頂板巖層三維應(yīng)力和微震聯(lián)合監(jiān)測(cè)方法可用于致裂效果評(píng)價(jià)。分段水力壓裂技術(shù)與傳統(tǒng)的短鉆小孔徑壓裂方式相比，具有點(diǎn)連成線、線連成面的區(qū)域疊加效應(yīng)，應(yīng)力降低效果更明顯，覆蓋范圍更大，壓裂范圍更廣，區(qū)域致裂效果更顯著。