煤礦堅(jiān)硬頂板災(zāi)害水力壓裂防治技術(shù)監(jiān)測(cè)及評(píng)估

石 垚，雷 瀚，楊新路，徐世達(dá)

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司 巷道研究分院，北京 100013；2.東北大學(xué) 深部工程與智能技術(shù)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

煤礦井下生產(chǎn)過(guò)程中，頂板意外垮落通常會(huì)造成生產(chǎn)計(jì)劃延誤、人員設(shè)備傷亡等損失。近年來(lái)，頂板事故在煤礦各類型災(zāi)害事故中占據(jù)較大比例，嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010—2019年全國(guó)煤礦頂板事故2536起，死亡3208人，分別占煤礦總事故數(shù)與總死亡人數(shù)的44.41%和32.28%[1]。存在堅(jiān)硬頂板的煤層開(kāi)采，多具有頂板強(qiáng)度高、懸頂面積大、應(yīng)力集中現(xiàn)象突出的特點(diǎn)，更容易誘發(fā)頂板災(zāi)害事故[1，2]。我國(guó)一半以上的礦區(qū)煤層發(fā)現(xiàn)了堅(jiān)硬頂板，存在堅(jiān)硬頂板的煤層約占總體煤層的三分之一[3，4]。實(shí)踐表明，頂板災(zāi)害事故誘因多、易突發(fā)、防控難度大[5]。因此，煤礦頂板災(zāi)害防控一直是我國(guó)煤礦開(kāi)采領(lǐng)域中的重要研究課題。

自1947年水力壓裂在美國(guó)堪薩斯州試驗(yàn)成功以來(lái)，壓裂設(shè)備、壓裂液和添加劑、支撐劑等方面迅速發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于地應(yīng)力測(cè)量、天然氣、石油等領(lǐng)域，隨著水力壓裂在油氣領(lǐng)域表現(xiàn)出的增透鉆孔布置簡(jiǎn)便、增透范圍大、壓裂效果明顯等優(yōu)勢(shì)，逐漸應(yīng)用于圍巖巖層控制和低透氣煤層的瓦斯治理兩個(gè)領(lǐng)域[6，7]。我國(guó)煤礦堅(jiān)硬頂板水力壓裂技術(shù)最早由波蘭引進(jìn)，并在大同礦區(qū)開(kāi)展了試驗(yàn)[4，8]。相較于其他頂板卸壓技術(shù)，水力壓裂技術(shù)具有安全性好、環(huán)境影響小、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、控制范圍大的優(yōu)點(diǎn)，且經(jīng)濟(jì)成本不到其1/10[9]，在頂板控制中更具有優(yōu)勢(shì)。

水力壓裂的原理是將壓裂液注入至壓裂孔中，通過(guò)穿孔或裸眼井段，進(jìn)入待壓裂區(qū)域，在兩端密封器作用下產(chǎn)生足夠高的壓力，破壞目標(biāo)地層巖石產(chǎn)生裂縫。由于地層是非均質(zhì)的，存在大量的原生裂縫。水力壓裂產(chǎn)生的裂縫受原生裂縫賦存形態(tài)的影響，最終在壓裂孔周圍形成一定形態(tài)不規(guī)則的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。堅(jiān)硬頂板水力壓裂卸壓的效果取決于壓裂工藝技術(shù)的參數(shù)合理程度，而壓裂裂紋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及壓裂后頂板破裂規(guī)律研究是確保水力壓裂施工取得理想效果的關(guān)鍵性手段。精準(zhǔn)壓裂將是水力壓裂技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)水力壓裂裂紋監(jiān)測(cè)技術(shù)，可了解堅(jiān)硬頂板裂縫擴(kuò)展情況，分析壓裂參數(shù)與施工效果指標(biāo)之間的聯(lián)系，優(yōu)化水力壓裂設(shè)計(jì)方案，提高堅(jiān)硬頂板控制效果。

1 常見(jiàn)水力壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1 鉆孔窺視法

許紅杰[10]依托榆神礦區(qū)神樹(shù)畔煤礦采用鉆孔窺視、高頻電磁波CT技術(shù)對(duì)壓裂前、后頂煤體裂隙破裂及擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行了探測(cè)，壓裂后鉆孔內(nèi)頂煤裂隙發(fā)育比例增加23.5%。李浩男[11]采用鉆孔窺視方法揭示了水力壓裂成莊煤礦15號(hào)煤上覆堅(jiān)硬頂板分層垮落過(guò)程，為堅(jiān)硬難垮頂板治理提供了參考。張榮俊[12]采用鉆孔窺視技術(shù)揭示了水力壓裂過(guò)程產(chǎn)生了軸向裂隙和徑向裂隙發(fā)展過(guò)程。五陽(yáng)煤礦采用鉆孔窺視儀觀測(cè)壓裂后裂紋的方向，并通過(guò)鉆孔是否冒水判斷壓裂范圍[13]。張宏[14]通過(guò)觀測(cè)紅柳林煤礦工作面錨桿受力情況發(fā)現(xiàn)水力壓裂后頂板巖層應(yīng)力向?qū)嶓w煤方向轉(zhuǎn)移。上榆泉煤礦[15]采用鉆孔窺視儀觀測(cè)壓裂后煤巖體裂隙發(fā)育情況，獲得單個(gè)壓裂孔有效擴(kuò)散半徑約為10 m的結(jié)論，工作面初次來(lái)壓步距縮短為32 m。野川煤礦[16]采用水力壓裂技術(shù)弱化分層頂板，使其分區(qū)域、分次及時(shí)垮落，通過(guò)觀察水力壓裂鉆孔出水判斷出壓裂水壓10～20 MPa時(shí)，壓裂范圍約為10 m。寸草塔煤礦[17]采用水力壓裂實(shí)現(xiàn)綜采工作面有序放頂，通過(guò)鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)壓裂水壓29 MPa時(shí)，壓裂直徑最大可達(dá)20 m，工作面初次來(lái)壓步距減小至51.2 m。郭家灣[18]開(kāi)展了大采高工作面水力壓裂放頂試驗(yàn)，通過(guò)鉆孔窺視儀發(fā)現(xiàn)切槽方向?qū)毫蚜严稊U(kuò)展方向具有顯著影響，頂板初次垮落步距為51.7 m，與未進(jìn)行水力壓裂頂板相比減少30 m以上。斜溝煤礦[19]采用鉆孔窺視方法評(píng)價(jià)工作面材料巷頂板水力壓裂切頂卸壓效果，揭示了鉆孔內(nèi)豎向裂隙帶的存在，提高了迎采掘進(jìn)巷道圍巖的穩(wěn)定性。

1.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

小保當(dāng)一號(hào)煤礦柱[20]采用鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)壓裂段與非壓裂段相比煤體應(yīng)力降低了50%以上。納林河二號(hào)煤礦[21]支架阻力測(cè)試表明，頂板來(lái)壓步距由18.24 m降低至12.76 m，來(lái)壓前支架平均阻力由33.41 MPa降低至28.46 MPa，來(lái)壓峰值由53.24 MPa降低至48.21 MPa，煤體淺孔應(yīng)力由4.3 MPa降低至1.72 MPa。張榮俊[12]通過(guò)在高壓聚能泵的出口位置安裝高精度壓力表的方法觀察到當(dāng)壓裂壓力在18 MPa時(shí)，水力壓裂裂縫擴(kuò)展范圍達(dá)到10 m。寺河煤礦[22]通過(guò)觀測(cè)錨索受力變化研究大采高留巷水力壓裂切頂卸壓效果，垂直應(yīng)力集中區(qū)由壓裂前的滯后工作面150 m至350 m范圍減小到滯后工作面50 m范圍內(nèi)。漳村煤礦[23]基于鉆孔應(yīng)力計(jì)與液壓支柱應(yīng)力計(jì)研究壓裂孔密度對(duì)巷道卸壓效果的影響，總結(jié)出壓裂水壓達(dá)到28 MPa時(shí)14 m是最經(jīng)濟(jì)合理的壓裂孔間距，壓裂段最大值28.7 MPa，非壓裂段最大值達(dá)到43.4 MPa。東灘煤礦[24]通過(guò)光纖光柵三維應(yīng)力計(jì)采集水力壓裂前后采動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)，觀察到壓裂后頂板巖層應(yīng)力集中程度明顯降低，主應(yīng)力方向改變，超前支承壓力影響范圍減小。

1.3 位移監(jiān)測(cè)

陳真[20]采用十字布點(diǎn)位移測(cè)量法測(cè)量壓裂前后巷道變形量，分析了水力壓裂切頂前后頂板與兩幫變形差異，頂板下沉量減小約48.3%，兩幫移近量減小約62.4%。大柳塔煤礦[27]52502工作面來(lái)壓步距平均值由29.37 m下降到11.43 m，降幅61.08%。寺河煤礦[22]東五盤區(qū)東翼集中巷布置表面位移測(cè)站，切頂卸壓后，兩幫移近量降低53%，頂板下沉量降低33%，底鼓量降低18%。山西潞安漳村煤礦[23]在雙U工作面留巷圍實(shí)施定向水力壓裂后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏糠謩e降低了45%和26%，巷道變形控制效果良好。中興礦[28]采用巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)對(duì)比分析壓裂卸壓效果，觀察到壓裂段頂?shù)装逡平渴俏磯毫讯蔚?6%，兩幫收縮量是未壓裂段的22%。回坡底礦[29]綜采工作面留巷水力壓裂切頂卸壓后，巷道頂?shù)装逡平拷档?0%，兩幫移近量降低30%。

1.4 電磁法

許紅杰[10]采用高頻電磁波CT技術(shù)對(duì)壓裂前后的煤體進(jìn)行井下實(shí)地探測(cè)，發(fā)現(xiàn)壓裂裂縫擴(kuò)展貫通范圍達(dá)到10 m以上。納林河二號(hào)煤礦[21]頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂最高壓力30 MPa，采用孔內(nèi)瞬變電磁探測(cè)判斷壓裂影響半徑約30 m。千秋煤礦[30]采用KBD-5電磁輻射儀采集壓裂前后電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)，壓裂后均呈現(xiàn)出明顯下降現(xiàn)象。吳雯[31]基于壓裂過(guò)程電場(chǎng)變化特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了分布式微弱電場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，為壓裂液運(yùn)移成像提供重要支撐。五陽(yáng)煤礦[13]采用瞬變電磁儀觀測(cè)壓裂前后工作面頂板電阻率變化，壓裂區(qū)域形態(tài)與低電阻區(qū)域形態(tài)基本吻合。李宇騰[32]采用壓裂孔內(nèi)施工的動(dòng)源動(dòng)接收瞬變電磁探測(cè)方法分析壓裂純異常場(chǎng)，判定條帶狀低阻異常即為壓裂裂縫所致，異常走向?yàn)榱芽p延伸方向。

1.5 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)

張軍[33]采用微地震向量掃描技術(shù)研究了不同傾角煤層壓裂裂縫面的產(chǎn)狀、發(fā)育機(jī)理，為壓裂設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)提供參考依據(jù)。納林河二號(hào)煤礦[21]頂板微震監(jiān)測(cè)表明，定向長(zhǎng)鉆孔壓裂能夠有效降低工作面回采過(guò)程中微震事件能量及頻次，極大程度上降低了一次見(jiàn)方區(qū)域的能量釋放強(qiáng)度。李巖[34]采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)展水力壓裂防治沖擊地壓過(guò)程研究，發(fā)現(xiàn)壓裂區(qū)域頂板微震事件總能量和每米釋放能量明顯降低，降低了開(kāi)采區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性。小莊煤礦[35]采用超長(zhǎng)鉆孔水力壓裂技術(shù)對(duì)特厚煤層頂板壓裂卸壓，發(fā)現(xiàn)水力壓裂過(guò)程中微震事件具有“高頻低能”的特點(diǎn)，揭示了上覆巖層頂板緩慢弱化過(guò)程。孟村煤礦[36]采用微震監(jiān)測(cè)研究壓裂過(guò)程煤巖體破裂活動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)每次壓裂施工結(jié)束后微震活動(dòng)性明顯降低，微震活動(dòng)呈現(xiàn)“低頻低能”狀態(tài)，構(gòu)造區(qū)應(yīng)力得到有效釋放。東灘煤礦[24]采用SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究壓裂頂板破裂活動(dòng)，結(jié)果表明壓裂后大能級(jí)事件顯著降低，日事件平均能量由100 kJ/d下降到10 kJ/d，空間平均釋放能量保持在4～8 kJ/m。

常見(jiàn)的頂板水力壓裂監(jiān)測(cè)手段鉆孔窺視具有操作簡(jiǎn)單、節(jié)約成本的優(yōu)點(diǎn)，但其監(jiān)測(cè)范圍有限，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)；應(yīng)力監(jiān)測(cè)和位移監(jiān)測(cè)適應(yīng)性強(qiáng)，受環(huán)境因素影響小，可以及時(shí)監(jiān)測(cè)巖體應(yīng)力和位移狀況對(duì)巖石破裂做出預(yù)警，但無(wú)法準(zhǔn)確映射圍巖內(nèi)部狀況；孔內(nèi)瞬變電磁探測(cè)適用于具有一定導(dǎo)電性質(zhì)的礦床，在非導(dǎo)電性質(zhì)的介質(zhì)中探測(cè)效果差，信號(hào)易受到外部電磁源干擾，影響探測(cè)結(jié)果。上述監(jiān)測(cè)手段基本屬于點(diǎn)監(jiān)測(cè)或表面監(jiān)測(cè)，局部偶然性大，無(wú)法揭示壓裂處巖體響應(yīng)特征。微震監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)范圍廣、靈敏度高，微震監(jiān)測(cè)具備空間“場(chǎng)”的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)災(zāi)害及時(shí)預(yù)警，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

2 堅(jiān)硬頂板水力壓裂微震監(jiān)測(cè)技術(shù)

堅(jiān)硬頂板水力壓裂微震監(jiān)測(cè)期望獲得水力壓裂裂縫擴(kuò)展方向、擴(kuò)展范圍等信息，用于優(yōu)化水力壓裂參數(shù)。煤礦井下堅(jiān)硬頂板水力壓裂微震監(jiān)測(cè)主要有地面監(jiān)測(cè)、井下監(jiān)測(cè)、聯(lián)合監(jiān)測(cè)等方式。

2.1 地面監(jiān)測(cè)

地面監(jiān)測(cè)一般將微震監(jiān)測(cè)設(shè)備布置在地表，檢波器安裝于地表、淺孔或地面監(jiān)測(cè)井中。針對(duì)地表和淺孔安裝，傳感器一般布置于井下水力壓裂區(qū)域地表投影內(nèi)，保證傳感器監(jiān)測(cè)范圍能夠覆蓋井下壓裂頂板。這種傳感器淺層地表布置方法在煤層埋深較小時(shí)監(jiān)測(cè)精度較高，隨著煤層埋深的增大，垂向定位精度顯著降低。同時(shí)容易受淺層地表地質(zhì)條件的影響，第四系表土層、較破碎的巖層條件都會(huì)降低其監(jiān)測(cè)精度。針對(duì)淺層地表傳感器布置方式的不足，部分學(xué)者提出采用由地面向下施工監(jiān)測(cè)井，將微震傳感器成串布置于監(jiān)測(cè)井中。這種監(jiān)測(cè)方法在油氣領(lǐng)域微震監(jiān)測(cè)較常見(jiàn)，煤礦使用較少，多需與其他布置方式聯(lián)合監(jiān)測(cè)。檢波器監(jiān)測(cè)井布置方法對(duì)破裂震源垂向精度控制相對(duì)較好，在遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)井的區(qū)域水平定位誤差較大。

2020年淮河能源集團(tuán)與中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘察研究總院采用三維高密度矩陣式地面微震觀測(cè)系統(tǒng)采集淮南潘謝區(qū)塊PX2-1井水力壓裂前、壓裂中、壓裂后的微震數(shù)據(jù)，成功定位95個(gè)微地震事件，并對(duì)震源機(jī)制、地應(yīng)力進(jìn)行了反演分析，判斷出埋深784.54 m處壓裂裂縫最多[37]。康紅普[38]采用地面微震臺(tái)站監(jiān)測(cè)方法開(kāi)展了陜煤曹家灘煤礦榆神礦區(qū)頂板壓裂過(guò)程監(jiān)測(cè)，通過(guò)向量掃描法分析了122108工作面頂板內(nèi)壓裂孔壓裂釋放能量空間分布特征，揭示了壓壓裂縫網(wǎng)分布形態(tài)，圈定了裂縫網(wǎng)擴(kuò)展高度。

圖1 地表微震傳感器布置Fig.1 Layout diagram of surface microseismic sensor

圖2 地表監(jiān)測(cè)井微震傳感器布置Fig.2 Schematic diagram of microseismic sensor layout in surface monitoring well

2.2 井下監(jiān)測(cè)

與金屬礦床、油田儲(chǔ)油層賦存特征不同，煤層數(shù)量較少且垂向高度普遍較小，但在水平方向長(zhǎng)度、寬度均較大，需要監(jiān)測(cè)的煤層頂板整體呈薄板形態(tài)。正是由于煤層的這種賦存形態(tài)，煤礦巷道工程多布置在煤層底部，使得在輔運(yùn)巷中布置的傳感器陣列多呈線性或平面布置，垂直輔運(yùn)巷與垂直方向上分布相對(duì)較單一。再加上相鄰輔運(yùn)巷距離較大，通常高達(dá)幾百米，布置在相鄰輔運(yùn)巷中的微震傳感器很難實(shí)現(xiàn)協(xié)同定位，因此嚴(yán)重制約了煤層頂板微震監(jiān)測(cè)的范圍與監(jiān)測(cè)精度。盡管部分煤礦采用加長(zhǎng)傳感器安裝長(zhǎng)度的方法擴(kuò)大監(jiān)測(cè)區(qū)域，但由于裝置安裝深度的限制，并未顯著提升微震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度。

中科院武漢巖土所在東灘煤礦六采區(qū)附近布置了4個(gè)微震探頭，揭示了微震事件發(fā)生率與釋放能量變化規(guī)律，與“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)生過(guò)程[28]。北京科技大學(xué)通過(guò)布置于壓裂孔周圍的6個(gè)檢波器采集壓裂微震信號(hào)，發(fā)現(xiàn)水力壓裂信號(hào)頻率相對(duì)單一，在30～250 Hz頻段較為集中[39]。布爾臺(tái)煤礦三采區(qū)1603工作面共布置46個(gè)三向、單向微震傳感器測(cè)點(diǎn)，得到利用井下微震監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠獲得煤層鉆孔水力壓裂破壞范圍的結(jié)論[40]。

圖3 井下微震傳感器布置Fig.3 Underground microseismic sensor layout diagram

2.3 聯(lián)合監(jiān)測(cè)

針對(duì)地面監(jiān)測(cè)與井下監(jiān)測(cè)方法的不足，部分學(xué)者提出了“井-地-孔”微震監(jiān)測(cè)方法，即通過(guò)井下巷道、孔中和地面聯(lián)合布置的方法采集采動(dòng)巖體破裂信號(hào)。這種布置方法彌補(bǔ)了地面、井下傳感器陣列相對(duì)線性或平面式的安裝。

寺河礦[41]采用井地聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)技術(shù)捕捉水力壓裂過(guò)程破裂事件，地面監(jiān)測(cè)以壓裂為中心采用網(wǎng)狀布點(diǎn)覆蓋破裂位置，地面?zhèn)鞲衅魍ㄟ^(guò)挖0.5～1.5 m深土坑將傳感器埋入，井下傳感器安裝于錨桿外露端。重慶大學(xué)依托野外試驗(yàn)巷道建立了地表、地下聯(lián)合28通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，揭示了煤層壓裂微震信號(hào)頻率特征及壓裂影響范圍[42]。

圖4 “井-地-孔”聯(lián)合微震傳感器布置Fig.4 Layout diagram of “well-ground-hole” combined microseismic sensor

綜上所述，地面監(jiān)測(cè)微震系統(tǒng)對(duì)水平或緩傾斜煤層頂板壓裂區(qū)域平面覆蓋性好，破裂水平定位精度較高，設(shè)備安裝工藝簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，但易受地表地形限制，破裂垂直定位誤差較大，破裂信號(hào)信噪比低，尤其在第四系覆層較厚的情況下難以捕捉小能量的壓裂事件。利用地面監(jiān)測(cè)井布置微震傳感器時(shí)，震源垂直精度較高，但傳感器安裝工藝較復(fù)雜，特別是在同一口井中布置多支傳感器時(shí)，較難保證傳感器深度安裝精度；針對(duì)走向長(zhǎng)度、寬度較大的煤層頂板壓裂區(qū)域開(kāi)展監(jiān)測(cè)時(shí)，需布置多口監(jiān)測(cè)井。井下監(jiān)測(cè)可依托井下巷道布置微震傳感器，監(jiān)測(cè)距離近，監(jiān)測(cè)精度較高，但在開(kāi)采規(guī)模較大時(shí)，需采用超長(zhǎng)深鉆孔，井下施工易對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)造成干擾，線纜傳輸易受人為活動(dòng)影響中斷。采用聯(lián)合監(jiān)測(cè)方法時(shí)，集合了各方法的優(yōu)點(diǎn)，空間包絡(luò)性更強(qiáng)，壓裂監(jiān)測(cè)精度更高，但工作量與監(jiān)測(cè)成本也將顯著提升。可見(jiàn)，不同水力壓裂微震監(jiān)測(cè)方法各有利弊，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程布置與壓裂區(qū)形態(tài)、范圍、埋深等信息選擇合適的監(jiān)測(cè)方法。

3 水力壓裂效果評(píng)估

準(zhǔn)確可靠的評(píng)價(jià)水力壓裂效果是為了有效地弱化堅(jiān)硬頂板。水力壓裂效果評(píng)估一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，早期的研究多基于室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，隨著堅(jiān)硬頂板水力壓裂弱化技術(shù)的應(yīng)用，逐漸向現(xiàn)場(chǎng)煤層堅(jiān)硬頂板水力壓裂效果監(jiān)測(cè)與評(píng)估集中。

采用物理模型聲發(fā)射試驗(yàn)是模擬研究人工注采復(fù)雜裂縫起裂、擴(kuò)展機(jī)理、評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)注采工藝的重要科研手段之一。陳勉[43]最早將聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到室內(nèi)水力壓裂試驗(yàn)中。劉玉章[44]對(duì)比分析了大尺度巖樣內(nèi)部裂縫擴(kuò)展過(guò)程聲波分布規(guī)律與實(shí)際裂縫形態(tài)，揭示了層間應(yīng)力差、施工參數(shù)對(duì)裂縫垂向延伸范圍的影響。梁天成[45]利用聲發(fā)射技術(shù)開(kāi)展了砂巖、煤巖、頁(yè)巖三類巖石水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)，討論了采用聲發(fā)射信號(hào)頻度和RA值兩個(gè)參數(shù)聯(lián)合評(píng)價(jià)壓裂模擬模型實(shí)驗(yàn)破裂機(jī)制的可行性。尹陳[46]研究了不同尺度裂縫/裂隙活動(dòng)誘發(fā)聲發(fā)射和微地震事件的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)巖石原生裂縫、裂隙分布趨勢(shì)和方位對(duì)裂縫擴(kuò)展具有主控作用。范濛[47]基于室內(nèi)大型壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)合壓裂后裂縫形態(tài)、聲發(fā)射數(shù)據(jù)和泵壓曲線，發(fā)現(xiàn)垂向地應(yīng)力差異系數(shù)、壓裂液排量、黏度對(duì)水力壓裂裂縫與天然弱面的貫通方式、水力裂縫的擴(kuò)展速度有重要影響。一般情況下，室內(nèi)水力壓裂試驗(yàn)多采用石膏或水泥澆筑制成的試樣和現(xiàn)場(chǎng)獲取的小尺寸試樣，與小尺寸巖石試樣相比，水力壓裂裂紋擴(kuò)展、聲發(fā)射信號(hào)傳播等在大尺寸試樣和現(xiàn)場(chǎng)巖體中更容易受結(jié)構(gòu)面影響，呈現(xiàn)出的規(guī)律也更復(fù)雜。

黃炳香[9]針對(duì)水力壓裂裂縫形態(tài)控制要求，提出了水力壓裂設(shè)備、技術(shù)工藝改進(jìn)的方法。鄭凱歌[48]采用壓裂范圍、來(lái)壓步距、來(lái)壓周期、來(lái)壓支架荷載等指標(biāo)描述神東礦區(qū)布爾臺(tái)煤礦水力壓裂效果，裂縫發(fā)育長(zhǎng)度30 m上，周期來(lái)壓步距由15.6 m降低至8.6 m，應(yīng)力降幅達(dá)到3 MPa以上，治理效果良好。姜光[49]通過(guò)周期來(lái)壓步距、支架動(dòng)載系數(shù)等分析宋新莊煤礦110301工作面堅(jiān)硬頂板治理效果，為類似工作面開(kāi)采提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。張慶國(guó)[50]基于水力壓裂影響范圍評(píng)價(jià)厚煤層綜放工作面沿空掘巷堅(jiān)硬頂板水力壓裂弱化技術(shù)，壓裂后觀察到明顯的宏觀軸向及徑向裂縫，壓裂影響范圍在7.0～10.0 m，改善了工作面應(yīng)力環(huán)境。龐貴艮[51]采用孔內(nèi)瞬變電磁法分析了壓裂前后電阻分布規(guī)律，提出采用壓裂前后視電阻率變化范圍作為壓裂效果評(píng)價(jià)方法。楊勝利[52]依托寺河煤礦二號(hào)井15號(hào)工作面，采用基本頂垮塌距離作為堅(jiān)硬頂板有序垮落的評(píng)價(jià)指標(biāo)，水力壓裂后18 m的老頂垮落距離優(yōu)于放炮放頂?shù)?5 m老頂垮落距離。趙凱凱[53]分析了胡家河煤礦堅(jiān)硬頂板水力壓裂作用下裂縫面積及其擴(kuò)展速度，主裂縫平均面積約為1.5×104m2，區(qū)域裂縫平均擴(kuò)展速度約為152 m2/min，為堅(jiān)硬頂板區(qū)域水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用提供參考。段宏飛[54]研究了水力壓裂裂紋擴(kuò)展范圍內(nèi)的頂板沖擊來(lái)壓風(fēng)險(xiǎn)，揭示了30～50 m裂紋擴(kuò)展范圍內(nèi)無(wú)明顯沖擊來(lái)壓的規(guī)律，獲得了水力裂紋擴(kuò)展范圍內(nèi)水力壓裂能有效控制堅(jiān)硬頂板的結(jié)論。潘俊鋒[55]在陜西孟村煤礦401102綜放工作面對(duì)厚硬頂板開(kāi)展區(qū)域壓裂試驗(yàn)，采用微震數(shù)據(jù)反演獲得的裂縫長(zhǎng)度、高度及帶寬等參數(shù)分析壓裂效果，實(shí)現(xiàn)了人造解放層效應(yīng)，獲得了壓裂區(qū)微震事件“高頻低能”的認(rèn)識(shí)。梁鐵光[56]采用工作面來(lái)壓強(qiáng)度與壓裂鉆孔影響半徑評(píng)估堅(jiān)硬頂板水力壓裂效果，提出了利用壓裂孔導(dǎo)通裂隙的高、低位水力壓裂鉆孔交錯(cuò)布置頂板弱化技術(shù)。王春林[57]通過(guò)來(lái)壓的頻次與規(guī)模分析了堅(jiān)硬頂板水力壓裂治理效果，提出了“定向長(zhǎng)鉆孔+常規(guī)短鉆孔”水力壓裂綜合弱化治理技術(shù)。

物理模型實(shí)驗(yàn)研究多采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)、聲波測(cè)試、切割試樣觀察裂縫形態(tài)等方法開(kāi)展水力壓裂效果評(píng)估，由于試樣尺度較小、均質(zhì)度較高，加上測(cè)試傳感器較好的空間包絡(luò)性，壓裂事件定位精度高，試樣波速能夠準(zhǔn)確測(cè)量，因此壓裂效果評(píng)估相對(duì)較準(zhǔn)確。現(xiàn)場(chǎng)煤層頂板由于受結(jié)構(gòu)面、采動(dòng)等影響，壓裂效果評(píng)估難度大。目前，水力壓裂多采用壓裂影響范圍、壓裂前后應(yīng)力、變形、來(lái)壓步距等指標(biāo)評(píng)價(jià)壓裂效果。其中壓裂影響范圍多通過(guò)出水孔與壓裂孔距離確定，但無(wú)法保證出水孔位置正好處于壓裂影響區(qū)邊界處。應(yīng)力、變形與來(lái)壓步距均屬間接測(cè)試，影響因素較多。盡管部分案例采用微震技術(shù)監(jiān)測(cè)水力壓裂過(guò)程，但傳感器數(shù)量相對(duì)較少、監(jiān)測(cè)方案相對(duì)較簡(jiǎn)單，監(jiān)測(cè)精度遠(yuǎn)小于物理模型實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)精度，據(jù)此開(kāi)展的水力壓裂效果評(píng)估可靠性值得商榷。因此，開(kāi)展煤層頂板水力壓裂高精度微震監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，建立微震參變量與壓裂效果指標(biāo)之間的關(guān)系，研發(fā)適用于煤礦堅(jiān)硬頂板的水力壓裂精準(zhǔn)評(píng)估技術(shù)迫在眉睫。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

由于壓裂工程的隱蔽性及巖體的不均質(zhì)性，獲取水力壓裂裂縫的影響范圍、形態(tài)參數(shù)等信息存在較大困難，缺乏揭示壓裂作用下裂縫擴(kuò)展過(guò)程的數(shù)據(jù)，無(wú)法獲得定量化分析的不同壓裂參數(shù)下裂紋動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。因此，煤礦堅(jiān)硬頂板水力壓裂監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)仍存在有待進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

1)針對(duì)煤層頂板水力壓裂監(jiān)測(cè)區(qū)域“薄板”形態(tài)的特點(diǎn)，采用超深鉆孔與段鉆孔相結(jié)合的方式布置檢波器，通過(guò)既具有信號(hào)接收功能、又具有主動(dòng)波發(fā)射功能的主被動(dòng)聯(lián)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，形成煤層堅(jiān)硬頂板透明化監(jiān)測(cè)技術(shù)，為水力壓裂效果精準(zhǔn)評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2)節(jié)理的存在對(duì)巖體水壓裂作用具有顯著影響，節(jié)理與壓裂孔的空間相對(duì)角度、節(jié)理的密度等信息與壓裂效果之間的定量化關(guān)系尤為重要。因此，開(kāi)展不同產(chǎn)狀節(jié)理與壓裂孔方位、間距及壓裂壓力、流量之間的關(guān)系研究將成為壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

3)壓裂效果評(píng)估應(yīng)考慮更多的因素，除目前較普遍的影響區(qū)域半徑、大能級(jí)事件頻次及比例、來(lái)壓距離、垮塌距離等指標(biāo)外，還應(yīng)考慮煤層頂板巖性、巖層結(jié)構(gòu)的影響。一般情況下，壓裂后頂板破裂過(guò)程釋放能量、劇烈程度均有很大差異，不能簡(jiǎn)單的僅采用破裂事件的能量評(píng)價(jià)壓裂效果。