東灘礦弱化低位關鍵層治理礦震技術研究

曹懷軒，謝華東，楊 歡，王富剛，閆憲洋，張 儉

(1.兗州煤業股份有限公司 東灘煤礦，山東 濟寧 272000；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.中國礦業大學，江蘇 徐州 221000)

近年來，隨著煤炭開采深度的增加，礦震發生的頻次及形成的災害急劇上升，嚴重制約礦井的安全生產[1]。礦震是一種極為復雜的動力失穩現象，礦震的發生會引起介質震動，可能造成采掘空間周圍巖體破裂、滑移和突然卸壓。山東省是礦震多發地區之一，東灘煤礦自2001年6月發生沖擊地壓事故以來，已多次發生礦震事件，是兗州煤業股份有限公司動力災害最嚴重的礦井之一[2]。國內外學者對礦震發生機理進行大量研究，基本認為礦震的發生與上覆堅硬頂板的破斷有密切關系[3]。Alan A.Capmoli等提出堅硬的巖層是誘發沖擊地壓的不利地質因素。徐學鋒、魏東[4]等判斷主、亞關鍵層并分析其破斷形態，得出礦震發生主要受低位亞關鍵層回轉滑移失穩、高位亞關鍵層剪切滑移失穩及主關鍵層極限破斷失穩影響；姜福興等[5，6]研究了厚硬巖層關鍵巖塊的結構形態對礦震發生的影響；竇林名等[3，7-9]認為煤巖沖擊與堅硬巖層破斷動載關系密切。國內外學者對礦震災害的防控技術手段主要為：優化總體開采設計[10，11]，選擇合理開拓布置及開采方式、頂板爆破、注水軟化等[12-14]，局部鉆孔卸壓、爆破卸壓等[16，17]。現有研究理論及治理方法在工程實踐中均取得較好效果，但對于弱化下位關鍵層治理礦震方面研究較少，相關實踐應進一步豐富。

東灘煤礦3上煤賦存于山西組，煤層頂板以粉～細砂巖為主，上覆山西組、石盒子組存在巨厚砂巖層，礦震的發生與巨厚硬巖的活動密切相關。本文以該礦63上03工作面為工程背景，以地層分布為基礎，研究礦震特征，分析礦震發生機理，探討定向長鉆孔分段水力壓裂技術弱化關鍵巖層治理礦震災害，并對治理效果進行監測分析，以期為類似條件工程提供借鑒參考。

1 礦井概況

1.1 地質概況

東灘煤礦位于山東省鄒城市兗州煤田東部，在地質構造上位于兗州向斜的核部和深部。3上煤層賦存于山西組，是礦井主采煤層。煤層頂板以粉～細砂巖為主，上覆存在巨厚砂巖層，抗壓強度達到70～130MPa，煤層回采過程中不易垮落，易發生礦震動力災害。

研究區域選取礦井六采區63上03工作面，六采區位于東灘井田南翼，東西長約3.4km，南北寬約1.8～2.8km，面積約6.9km2。63上03工作面南側63上04工作面、63上05工作面已采，北鄰63上02工作面未采。鉆孔柱狀如圖1所示，巨厚砂巖層賦存較多。3上煤內生裂隙發育，參差狀斷口，條帶狀結構。3上煤層厚度4.90～6.80m，平均5.20m。

圖1 鉆孔柱狀圖

1.2 礦震特征

以往開采揭示，礦震致災能力閾值為5×103J，礦震能量大于5×103J時，存在危險性；當能量小于5×103J時，為對安全生產無影響的礦震，即常規礦震。63上05工作面為已采工作面，63上05工作面回采期間，致災礦震事件55次，占震動總次數的0.7%。63上05工作面致災礦震事件發生間距如圖2所示。

圖2 礦震事件垂向分布

由圖2可知，致災礦震事件發生間距基本在30m之內，平均值19.8m，根據工作面回采數據可知，周期來壓平圴步距20.2m，礦震事件發生與周期來壓呈現協同發生的規律。

2 礦震防治技術原理

礦震的發生是上覆巖層受工作面采動影響，產生運動并伴隨能量釋放的過程。煤層上方有多層厚硬砂巖，如圖3所示。分析關鍵層誘發礦震機理，假設有第1、第2、第i關鍵層，煤層距關鍵層的距離依次為h1、h2、…、hi，距離地表的距離為H，圖中的Ei(i=1，2，…，n)代表第i關鍵層一次斷裂釋放的能量。隨著工作面的推進，上覆巖層開始懸露、斷裂。從能量的角度來說，礦震的孕育是能量緩慢積累和突然釋放的過程，隨著工作面的推進，關鍵層開始彎曲，積累能量直至能量積累達到極限，關鍵層破斷，能量釋放[3，5]。

圖3 關鍵層斷裂誘發礦震模型

以往研究表明，周期來壓步距為關鍵層破斷規律展示，前文所述礦震發生間距與周期來壓步距吻合，即受關鍵層破斷影響，關鍵層的破斷下沉及高能量瞬間釋放是礦震發生的主要原因。工程擾動之前，采用分段水力壓裂工程弱化低位關鍵層，水力壓裂既能破壞砂巖層的完整性，分割成若干塊段或將砂巖層分層，改變其力學性質，又能使巖層吸水后強度降低。水力壓裂弱化關鍵層原理模型如圖4所示。

圖4 水力壓裂弱化關鍵層原理模型

通過水力壓裂對低位關鍵層的提前弱化，工作面回采時，低位關鍵層沿著預裂縫破斷，破斷塊體體積減小，垮落頻次增加，破斷單次釋放能量減小，達到有效控制礦震災害的目的。

3 礦震治理工程

3.1 關鍵層位置判識

在錢鳴高院士提出的關鍵層理論的基礎上，國內學者通過大量研究和現場實踐對關鍵層的判別，提出了大量的力學公式和判別方法，多為通過各種力學分析條件分析判識，確定關鍵層位置。廣泛應用的判識方法主要分為以下步驟：

以直接頂巖層為研究的第1層巖層，假設煤層直接頂上方已有m層巖層存在，假設第1層巖層為關鍵層，其所能夠控制的巖層位于上方的第n層，則第n+1層巖層要作為第二關鍵層基本條件是要滿足關鍵層判別的剛度條件：

q1|n+1

(1)

式中，q1|n+1為第n+1巖層的巖體撓度；q1|n為第n層巖層的巖體撓度；E為彈性模量，MPa；hi為第i層巖層厚度，m；γ為巖石容重，kg/m3。

式(1)表示第n層巖體的撓度大于第n+1層巖體撓度，由于第n層的變形大于第n+1層的變形，第n+1層及其上部荷載可以由自身結構承擔。此外，n+1層巖層成為關鍵層還必須滿足強度條件，判別條件如式(3)：

Ln+1>Ln

(3)

式中，Ln為第n層巖層破斷距，m；Ln+1為第n+1層巖層破斷距，m。

綜合關鍵層剛度和強度判別方法，計算得出東灘煤礦關鍵層，具體見表1。結合礦震發生位置，選取水力壓裂治理層位為亞關鍵層中粒砂巖層。

表1 東灘煤礦關鍵層判識

對63上03工作面未治理區域發生的礦震位置及能量進行統計分析，結果如圖5所示。由圖5可知，63上03工作面礦震發生位置分布在埋深680～740m的巖層中，能量大于5×103J的礦震主要集中在埋深690～740m巖層，結合鉆孔柱狀可知，礦震發生位置基本在距離頂板15.13m、厚度為33.8m的中粒砂巖層中，該層位為礦震致災的源頭層位。

圖5 63上03工作面礦震位置及能量

3.2 弱化低位關鍵層治理礦震災害

依據礦震發生位置及弱化低位關鍵層治理礦震機理，根據判別的關鍵層位，在東灘煤礦63上03工作面距離頂板15.13m的中粒砂巖層中，實施定向長鉆孔分段水力壓裂工程治理礦震。該技術依托超深鉆孔定向功能，將壓裂工具串送入指定位置后，通過雙封隔器單卡壓裂目標層位段，當壓力大于巖層破裂壓力后，巖層的彈性余能以動能形式釋放，逐段完成壓裂施工，使巖體形成有效連續性巖層裂縫，如圖6所示。

圖6 分段水力壓裂工藝

水力壓裂施工參數見表2。水力壓裂過程中，巖層產生有效裂縫時出現明顯壓降。由表2可知，水力壓裂施工過程中，每個壓裂段最大壓力超過了巖石拉伸破壞極限，在壓裂過程中均出現多次壓降，巖層產生較多裂縫。分段壓裂工藝使得巖層形成連續裂縫，有效弱化了巖層強度，降低了巖層聚集能量的能力。

表2 水力壓裂施工統計

4 礦震治理效果分析

通過對壓裂前后治理工作面回采過程中礦震事件發生特征進行對比分析，有效展示壓裂治理效果。壓裂前后微震事件發生次數如圖7所示，通過對比可知，工作面回采進入壓裂區域后，礦震日發生頻次明顯增高，平均值由4.27次增加至6.95次，增加62.7%，水力壓裂超前弱化關鍵層有效影響了礦震事件發生頻次。

圖7 壓裂前后微震事件發生次數

1)常規礦震事件。壓裂前后能量小于5×103J的常規礦震事件發生次數如圖8所示，壓裂施工后，明顯提高了常規礦震事件的發生次數，壓裂前平均每天發生3.8次，壓裂后平均每天發生6.86次，每天平均提高了80.5%。

圖8 壓裂前后能量小于5×103J微震事件發生次數

2)致災礦震事件。統計能量大于5×103J的致災礦震次數為134次，未壓裂區發生129次，壓裂區發生5次，礦震事件發生次數如圖9所示。未壓裂區發生震級大于10.03次，下降95.45%。

圖9 能量大于5×103J礦震事件發生次數

通過對比分析礦震事件在壓裂前后數據可知，水力壓裂弱化關鍵層使常規礦震事件發生頻次增多，但致災礦震事件頻次大幅減小，表明水力壓裂過程形成的連續裂縫及對巖層的軟作用使得關鍵層聚集的高能量分散釋放，形成小震級、多頻次的震動特征，63上03工作面已順利通過治理區域。

5 結 論

1)基于周期來壓特征，結合微震能量統計分析，揭示了礦震動力災害發生特征，其發生具有周期性，并與周期來壓呈現協同發生的特征，發生位置集中在頂板15.13m位置厚度為33.8m的中砂巖層中。

2)依據礦震發生特征，提出了礦震防治技術原理。關鍵層強度大，不易垮落，回采時形成破斷步距大、聚集能力高的特征，易誘發礦震災害。通過水力壓裂弱化中粒砂巖亞關鍵層，減小破斷步距，降低能量聚集能力，超前防治礦震災害。

3)壓裂治理后，常規礦震事件發生次數明顯提高，日平均次數升高了80.5%；致災礦震事件日平均發生次數下降了95.45%，礦震治理技術使得關鍵層聚集的高能量分散釋放，形成小能量、多頻次的震動特征，63上03工作面已安全通過治理區域。