堅硬頂板水力壓裂技術及效果檢驗

龐貴艮

(神東煤炭集團有限責任公司 保德煤礦，山西 保德 036600)

長久以來煤礦堅硬頂板的治理以爆破為主、注水弱化為輔，爆破法施工簡單，但工程量大、污染井下環境，且對于高瓦斯礦井，還存在安全隱患。水力壓裂處理煤礦堅硬頂板是一項新興技術，近年來，該技術在工作面初采期間的頂板控制方面得到廣泛應用，通過對煤巖體實施水力壓裂作業，可以削弱頂板的強度和整體性，提高綜放工作面堅硬頂板的冒放性[1]。

水力壓裂效果與巖石物理力學性質、巖體結構、地應力等地質力學條件及鉆孔布置壓裂參數有關。壓裂工程施工結束后，應及時對壓裂效果進行整體分析評價，確保壓裂達到設計效果，才能保證工作面初采期間頂板及時垮落，減小初次來壓步距，避免造成大面積懸頂。若分析發現局部壓裂效果達不到設計要求，還可進行二次壓裂，避免回采期間再進行補孔壓裂，減少對生產的影響。因此，選取合理方法準確分析評價工作面初采前水力壓裂效果，是整個水力壓裂工程中至關重要的環節。保德煤礦首次采用瞬變電磁法對81307綜放工作面初次放頂水力壓裂效果進行分析，并現場觀測初采期間頂板垮落和礦壓顯現情況，驗證瞬變電磁法能否有效分析工作面頂板水力壓裂效果。

1 水力壓裂試驗區概況

保德煤礦目前開采8#煤層為礦井首采煤層，位于二疊系山西組底界。三(下)盤區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，平均抗壓強度達57MPa以上，屬堅硬頂板。采用綜采放頂煤工藝開采時，頂板初次垮落步距大，來壓強度高，伴隨著巷道瞬間底鼓和大規模片幫及支架壓死現象，底鼓最大達1.8m，嚴重影響到工作面的安全高效生產。礦井計劃回采前采用水力壓裂對工作面堅硬頂板進行欲裂弱化，縮小回采過程中懸頂面積，降低來壓強度，有效控制巷道變形，保證工作面安全生產。

首先選擇在81307綜放工作面實施初次放頂水力壓裂試驗[2，3]。81307工作面位于保德煤礦三(上)盤區，開采煤層為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，平均抗壓強度達60MPa以上，屬堅硬難垮頂板。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 水力壓裂方案設計

2.1.1 水力壓裂鉆孔布置

鉆孔施工采用ZDY1200S鉆機及配套鉆機平臺，鉆頭直徑56mm，鉆桿直徑42mm。根據工作面頂板巖層結構、層厚、采高(影響高度為其4～6倍)等參數，結合礦井安全生產要求，利用4種不同結構鉆孔，促使壓裂裂縫有效溝通，確保對堅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，S孔31個，A孔3個，J孔7個，鉆孔參數為鉆孔參數為：壓裂鉆孔L，鉆孔長度40m，傾角為25°；壓裂鉆孔S，鉆孔長度38m，傾角為45°；壓裂鉆孔A，鉆孔長度50m，傾角為30°；壓裂鉆孔J，鉆孔長度25m，傾角為55°；13個L孔總進尺520m，31個S孔總進尺1178m，3個A孔總進尺150m，7個J孔總進尺175m，鉆孔總計進尺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，每次壓裂時間為0.5h。

6)特殊地段、異常區域要及時匯報并修改參數。

2.2 水力壓裂過程

采用手動泵加壓封孔器，從鉆孔底部逐步向孔口處逐次壓裂，待壓力達到20MPa后停止加壓，觀察鉆孔并監測壓力表，檢驗封孔器能否保壓。然后慢慢加壓，同時記錄水泵壓力表以及手動泵壓力表數據，繼續加壓直至預裂縫開裂，這時壓力會突然下降，保壓注水使裂紋繼續擴展，保壓注水壓裂時間根據現場壓裂情況確定，前三處壓裂時間一般不少于30min，后幾處壓裂時間一般不少于20min，沿與裂紋方向形成橫向裂紋[4]。壓裂期間，發現切眼頂板、煤壁、周邊鉆孔或支護材料周圍中有水滲出或冒出時，立即停止壓裂。

鉆孔壓裂過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度后，在該處出現裂紋，并沿著一定的方向向周邊擴展，形成一定的擴散半徑，產生弱化帶。水壓整體穩定擴展，可以判定該區間巖層相對均質。有部分鉆孔在孔深30m以上進行壓裂時切眼頂板即有淋水現象，表明在頂板上存在較發育的原生裂隙，裂縫擴展可達20～30m的范圍；局部波動較大處為壓裂裂紋于巖層中存在的原生裂隙或采動裂隙貫通所致。

圖3 81307工作面水力壓裂水壓變化曲線

3 壓裂效果檢驗

3.1 檢驗方法

工作面水壓壓裂工程施工完畢后，需采取有效的檢驗方法對壓裂效果進行檢驗[5]。檢驗方法可分為采前檢驗和采后檢驗。采前檢驗可通過物探方法或鉆孔窺視技術，對壓裂前后頂板裂隙發育情況進行分析，通過裂隙的擴展程度來判斷水力壓裂效果。采后檢驗常采用礦壓監測和垮落步距統計的方式進行分析，該方法較為科學且檢驗結果更接近實際，但效果檢驗時間較為滯后，工作面局部冒落后，再補充水力壓裂工程，增加了施工難度。因此，采用一種有效的采前檢驗方法，在工作面安裝回采前便可檢驗壓裂效果，對壓裂效果差的區域可以二次壓裂，以保證工作面頂板弱化程度達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，當巖體抗壓強度小于外加水壓會破裂，裂隙的延伸和擴張使得本身充填更多的壓裂水，巖體周圍的含水性增加。因此，壓裂過程中水在巖體空間內分布和滲流特征，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，均質致密，富水性弱，電性特征明顯。因此，采用瞬變電磁法來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，根據工作面初采過程中實際頂板垮落情況，來印證推分析效果檢驗的準確性。

3.2 瞬變電磁檢驗

3.2.1 瞬變電磁探測設計

本次效果檢驗采用YCS40(A)礦用瞬變電磁儀，由于切眼頂幫為錨網支護方式，金屬體對瞬變電磁0～20m范圍內探測效果干擾較大。因此，本次瞬變電磁探測深度選擇為20～80m范圍，對應巷道頂板以上14～56m范圍內巖層。測線布置方法：布置一條測線，測線為沿頂板45°橫掃描類型。由81307綜放工作面機頭至機尾進行測點布置，每隔10m布置一個測點，共計25個測點，測線長度共計240m。

3.2.2 瞬變電磁探測成果分析

物探隊分別在水力壓裂前和水力壓裂后按設計測線進行探測，為更加準確反映巖層富水性，有效探測深度選取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，相對高阻區域可能為頂板裂隙相對發育導致；由圖4(b)可知，通過分析水力壓裂期間電阻率的變化，可以看出注水壓裂過程中砂巖頂板的視電阻率開始降低，原相對高阻區域率先變為低阻區，說明原巖裂隙發育的部分更有利于高壓水的滲流。

圖4 81307切眼頂板45°方向瞬變電磁探測成果

綜上，通過壓裂前后物探成果的對比，可以推斷在Y方向20～30m探測深度范圍內(對應切眼頂板14～21m范圍內)水力壓裂產生的裂隙較多，該區域正處于L、S兩組壓裂鉆孔控制范圍之內；在X方向0～38m、50～70m、80～150m、190～205m探測范圍內水力壓裂后裂隙發育程度較好。從圖4(b)80～150m范圍低阻異常區可以推斷，水力壓裂后裂隙擴展至頂板上方56m，說明該區域巖層原生裂隙發育。

3.3 初采期間頂板垮落與壓力顯現情況

81307綜放工作面從2018年4月4日開始初采，初采期間不放煤，頂板未垮落。4月7日，工作面推進至距機頭17.5m(機尾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，工作面推進至距機頭31m(機尾32.2m)后，工作面機頭至機尾113#架(197m)范圍內，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#架范圍內垮落。特別是機尾，頂板垮落相對滯后，工作面老頂未垮落。

4月11日，開始利用A3、A4備用鉆孔對機尾頂板堅硬巖層進行補充水力壓裂，壓裂孔孔深約60m，采用分段壓裂。4月13日中班，工作面推進至距機頭45.3m(機尾48m)處，工作面頂板初次來壓，工作面老頂開始斷裂垮落，機尾頂板也開始垮落。初次來壓步距較81306工作面初次來壓步距減小，水力壓裂起到了弱化頂板的效果。

從工作面推進過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始垮落，區域主要集中在瞬變電磁探測低阻區域范圍內。工作面113#至機尾垮落程度不理想，該區段也正與圖4(b)中200～240m范圍內的探測結果相對應。工作面初次來壓前，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大范圍低阻異常區探測結果相對應。通過工作面頂板實際垮落程度和瞬變電磁探測分析成果對比，在水平和縱向空間內兩者相吻合。

4 結 論

通過采用瞬變電磁法探測81307工作面水力壓裂前后的電性差異，分析初采前堅硬頂板水力壓裂效果，得到如下結論：

1)采用瞬變電磁探測低阻異常區能夠反映出頂板水力壓裂后水流場和裂隙擴展范圍。

2)瞬變電磁法在頂板水力壓裂效果的檢驗中有一定適用性，通過對比壓裂前后瞬變電磁探測成果中視電阻率變化的范圍，可以預測壓裂效果。

3)由于巖層的不均一性，要通過一次壓裂來達到整體弱化頂板巖層比較困難?？筛鶕沧冸姶欧治鼋Y果，對壓裂效果較差的范圍進行二次壓裂，保證達到理想壓裂效果。