巖層控制是煤礦安全高效開采的核心。堅(jiān)硬頂板強(qiáng)度高、破斷步距大、影響范圍廣、礦壓作用強(qiáng)烈、力學(xué)行為復(fù)雜、是煤礦頂板控制的一大難題[1-4];且煤層開采厚度越大，堅(jiān)硬覆巖運(yùn)移破斷越復(fù)雜，采場礦壓顯現(xiàn)越強(qiáng)烈，增加了巖層控制的難度。尤其煤層開采逐漸進(jìn)入深部以后，由于深部巖體典型的“三高”賦存環(huán)境，加之特厚煤層開采的“高強(qiáng)度”和“強(qiáng)時(shí)效”特性，造成覆巖大空間范圍內(nèi)的巖層破斷力學(xué)行為異常復(fù)雜，工程災(zāi)害頻發(fā)，難以預(yù)測和有效控制[1]，因此對大空間堅(jiān)硬頂板的控制提出了更高的要求。

針對特厚煤層放頂煤開采的采動(dòng)力學(xué)行為，謝和平等[5]揭示了圍巖采動(dòng)力學(xué)特征及采動(dòng)應(yīng)力環(huán)境;圍繞堅(jiān)硬頂板礦壓控制，國內(nèi)外主要形成了以加強(qiáng)支護(hù)、卸壓開采、預(yù)裂弱化為主的技術(shù)手段。加強(qiáng)支護(hù)方面，國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合堅(jiān)硬頂板賦存及其破斷的采場應(yīng)力分布特征，提出了相應(yīng)的加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)方案，取得了一定的效果[6-7]。卸壓開采方面，解放層開采技術(shù)卸壓效果較為明顯，在沖擊地壓、高瓦斯突出礦井中應(yīng)用較為廣泛[8-9]。圍繞堅(jiān)硬頂板預(yù)裂弱化方面，代表性的有水力壓裂、鉆孔爆破等技術(shù)，目前在井下廣泛應(yīng)用[10-13]。上述技術(shù)手段在一定程度上提高了堅(jiān)硬頂板工作面的安全生產(chǎn)效率，但目前圍繞加強(qiáng)支護(hù)、卸壓開采、預(yù)裂弱化方面的控制技術(shù)仍存在些許不足。加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)無法滿足強(qiáng)礦壓、沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害的安全需求;解放層卸壓開采技術(shù)對地質(zhì)條件的依賴性較大，需存在合適的解放層開采煤層，開采成本高;頂板預(yù)裂弱化技術(shù)主要在井下應(yīng)用，受井下空間、壓裂裝備、鉆孔長度等條件制約，控制范圍在50 m以內(nèi)，效果有限。

以山西大同礦區(qū)堅(jiān)硬頂板特厚煤層開采為例，20 m特厚煤層一次開采，覆巖破壞范圍達(dá)250 m以上[14-16];由于上賦多層堅(jiān)硬頂板，其破斷失穩(wěn)造成采場礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，支架壓死、巷道破壞等強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)頻繁，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)[17-19]，因此對堅(jiān)硬頂板控制提出了更高的要求，需要在更大空間范圍內(nèi)對其進(jìn)行控制。為此，筆者團(tuán)隊(duì)提出了地面壓裂堅(jiān)硬頂板控制礦壓的方法，傳統(tǒng)井下水力壓裂技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，在井下應(yīng)用取得了不錯(cuò)的效果。井下壓裂多用于巷道內(nèi)對側(cè)向或端頭懸板的壓裂弱化，以減小端頭懸板面積，從而降低巷道支承應(yīng)力;與井下壓裂不同，地面壓裂高位堅(jiān)硬巖層則是通過對巖層破斷之前的壓裂改造，改變巖層的破斷行為及其礦壓作用。相比井下壓裂，不同的壓裂層位、巖層結(jié)構(gòu)及裂縫擴(kuò)展范圍，對于堅(jiān)硬巖層的弱化卸壓機(jī)理也不同。

地面壓裂技術(shù)在大同礦區(qū)進(jìn)行了工程應(yīng)用[20-22]，結(jié)果表明，地面壓裂裂縫擴(kuò)展范圍大，可覆蓋工作面范圍。筆者在揭示大型真三軸原位試件裂縫擴(kuò)展規(guī)律的基礎(chǔ)上，對壓裂層位、壓裂位置、壓裂流量及壓裂裂縫擴(kuò)展實(shí)時(shí)監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)展開研究，以逐步完善地面壓裂堅(jiān)硬巖層的理論體系。地面壓裂技術(shù)探索了煤礦領(lǐng)域堅(jiān)硬頂板控制的新途徑，可有效避免采場強(qiáng)礦壓及沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生，為解決類似由高位巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)引起的礦壓災(zāi)害控制提供借鑒。

1 堅(jiān)硬頂板地面壓裂技術(shù)的提出

1.1 研究背景

大同礦區(qū)目前主采石炭系3～5號(hào)特厚煤層，煤層厚度20 m，采用放頂煤一次采全厚的方法，煤層埋深400～650 m，覆巖賦存多層堅(jiān)硬砂巖，抗壓強(qiáng)度在60～120 MPa。因煤層一次開采厚度大，覆巖破斷運(yùn)移范圍廣，大空間堅(jiān)硬頂板發(fā)生破斷失穩(wěn)，造成采場礦壓顯現(xiàn)復(fù)雜且強(qiáng)烈。工作面液壓支架行程降低，安全閥大幅開啟，煤壁片幫、巷道變形嚴(yán)重，甚至有動(dòng)載礦壓發(fā)生，此時(shí)工作面支架大范圍被壓死，超前單體支柱彎曲折損劈裂現(xiàn)象嚴(yán)重。

為探明覆巖運(yùn)移規(guī)律及強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)理，團(tuán)隊(duì)綜合大量現(xiàn)場原位實(shí)測、相似模擬、理論分析等研究發(fā)現(xiàn)，堅(jiān)硬頂板特厚煤層開采條件下，大空間覆巖破斷形成“懸臂梁—砌體梁—高位結(jié)構(gòu)”的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征(圖1)。其中高位結(jié)構(gòu)破斷步距大，影響范圍廣，其破斷失穩(wěn)易造成工作面高強(qiáng)度來壓，是誘發(fā)采場強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要因素。在此研究基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)首次提出了大空間采場巖層控制理論，大空間的提出源自“堅(jiān)硬頂板+特厚煤層”開采的超大空間范圍，該理論將大空間巖層范圍劃分為遠(yuǎn)場和近場，并建立了大空間多層位覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型[22]，揭示了不同層位頂板破斷結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的礦壓作用機(jī)制，為頂板控制范圍提供了理論基礎(chǔ)[22-24]。

1.2 地面壓裂思路的提出

高位堅(jiān)硬巖層的大破斷步距、整體性破斷回轉(zhuǎn)是引發(fā)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要因素。因此，采用合理的技術(shù)手段對高位堅(jiān)硬巖層實(shí)施弱化改性，改變其物理力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)賦存及破斷特征，降低其破斷失穩(wěn)的礦壓作用強(qiáng)度，改善采場應(yīng)力環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)礦壓預(yù)防的有效途徑。

目前國內(nèi)外以水力壓裂和爆破為主的堅(jiān)硬頂板預(yù)裂弱化技術(shù)主要在井下范圍使用，受限于井下壓裂裝備、技術(shù)及施工條件限制，控制范圍僅局限于煤層上覆頂板50 m，對于100 m以上的高位堅(jiān)硬巖層束手無策。地面鉆井壓裂技術(shù)是油氣田開發(fā)過程中普遍使用的一種增產(chǎn)技術(shù)，其作用機(jī)理是將壓裂液通過液壓泵泵入儲(chǔ)層，使得在目標(biāo)層內(nèi)形成具有一定幾何尺寸和導(dǎo)流能力的人工增透裂縫，從而提高抽采效率。地面壓裂增透的同時(shí)，大面積裂縫也弱化了巖體強(qiáng)度，借鑒該技術(shù)思路，筆者團(tuán)隊(duì)提出了煤礦頂板地面壓裂控制礦壓的方法，通過地面對高位堅(jiān)硬頂板實(shí)施壓裂改造，降低巖層的整體性及其破斷強(qiáng)度，達(dá)到控制礦壓的目的[20-22]，如圖2所示。

根據(jù)所要達(dá)到的壓裂效果，可以采用垂直井和水平井2種壓裂方式，壓裂井垂直段整體結(jié)構(gòu)為三開井身結(jié)構(gòu)。首先在壓裂目標(biāo)層區(qū)域進(jìn)行射孔，在壓裂井四壁形成多個(gè)小孔，使壓裂液能夠通過小孔進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)壓裂，壓裂液一般采用清水即可，安全環(huán)保。

2 堅(jiān)硬頂板地面壓裂控制技術(shù)

煤礦堅(jiān)硬頂板地面壓裂技術(shù)與油氣壓裂不同，受頂板破斷及采動(dòng)應(yīng)力場影響，煤礦地面壓裂有其特殊性，地面壓裂層位、壓裂井位置、壓裂參數(shù)及裂縫擴(kuò)展監(jiān)控等均對壓裂效果產(chǎn)生直接影響。

2.1 裂縫擴(kuò)展規(guī)律試驗(yàn)

探明采動(dòng)應(yīng)力場影響下的裂縫擴(kuò)展規(guī)律是實(shí)現(xiàn)地面壓裂高效控制的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有對水力壓裂裂縫擴(kuò)展的研究多基于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和模擬，其中實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)是反映裂縫擴(kuò)展規(guī)律最直接有效的方法，但現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)尺寸偏小，試驗(yàn)試件的尺寸多為300 mm×300 mm×300 mm;且實(shí)驗(yàn)室應(yīng)力環(huán)境與井下原巖應(yīng)力差別較大。為更加真實(shí)反映水壓裂縫的擴(kuò)展規(guī)律，綜合考慮壓裂地層巖體特征、裂隙及層理面發(fā)育狀況、地應(yīng)力分布等因素，實(shí)驗(yàn)室開展了原位大尺寸試件水力壓裂試驗(yàn)研究，原位試件尺寸1 420 mm×530 mm×420 mm，采用重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大型真三軸壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖3所示。水力壓裂物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要由3部分組成:大型真三軸伺服加載系統(tǒng)、泵壓系統(tǒng)、水力壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)(聲發(fā)射、三維定位實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng))等。真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)采用均布加載器向巖樣面加載，試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)腔的左右兩側(cè)和頂部及后承載系統(tǒng)的內(nèi)側(cè)均安裝有均布加載器，前反力裝置內(nèi)側(cè)和承載環(huán)內(nèi)腔下平面為被動(dòng)加載[25]。為避免原位試件四周應(yīng)力盒、聲發(fā)射探頭等監(jiān)測設(shè)備與真三軸加壓油缸直接接觸，達(dá)到保護(hù)監(jiān)測設(shè)備的目的，采用混凝土對原位試件澆筑外殼，澆筑后的試件尺寸為2 060 mm×1 200 mm×1 200 mm。為更真實(shí)體現(xiàn)原巖應(yīng)力條件下的裂縫擴(kuò)展規(guī)律，實(shí)驗(yàn)室加載應(yīng)力與現(xiàn)場原巖應(yīng)力成比例進(jìn)行加載，加載應(yīng)力為井下原巖應(yīng)力的一半，見表1。

隨著試件三向加載應(yīng)力的變化，各測點(diǎn)應(yīng)變值呈現(xiàn)出明顯的響應(yīng)關(guān)系。在應(yīng)力加載階段，壓力和應(yīng)變逐漸增大到最大值，在水力壓裂過程中應(yīng)力與應(yīng)變均有較大變化，而后隨應(yīng)力的卸載，各測點(diǎn)的應(yīng)變逐漸減小，最后基本恢復(fù)至加載前的應(yīng)變狀態(tài)(圖4(a))。在應(yīng)力加卸載過程中，應(yīng)變與應(yīng)力呈近似線性關(guān)系，模型試件內(nèi)部以彈性變形為主[25]。

裂縫擴(kuò)展形態(tài)如圖4(b)所示，裂縫起裂時(shí)沿割縫方向起裂，擴(kuò)展一段距離后即轉(zhuǎn)向沿最大水平主應(yīng)力方向，并在遇到層理弱面時(shí)進(jìn)入層理弱面擴(kuò)展，最終穿過層理面?？梢妼永砹芽p面的賦存對裂縫的擴(kuò)展有一定的影響，但裂縫的最終擴(kuò)展方向與試件三軸應(yīng)力分布相關(guān)[25]，天然裂隙的賦存一定程度上利于水力裂縫在巖層內(nèi)部形成區(qū)域性的裂縫網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)室真三軸試驗(yàn)獲得的水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律，為地面壓裂設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。

2.2 地面壓裂層位選取

地面壓裂層位的合理選取是地面壓裂堅(jiān)硬頂板控制礦壓成功與否的關(guān)鍵。對于壓裂目標(biāo)層的選取原則是考慮破斷釋放能量最大、礦壓作用最強(qiáng)烈的堅(jiān)硬巖層?，F(xiàn)場原位實(shí)測是準(zhǔn)確反映覆巖礦壓作用最直接可靠的方法，以大同礦區(qū)同忻煤礦8203工作面為背景開展現(xiàn)場實(shí)測。

8203工作面長200 m，煤層厚度19 m，埋深400～500 m，覆巖賦存多層堅(jiān)硬砂巖。在工作面中部位置布置監(jiān)測鉆孔，基于關(guān)鍵層理論及工作面地質(zhì)賦存情況，在鉆孔內(nèi)布置4個(gè)巖移測點(diǎn)，1～3號(hào)測點(diǎn)分別布置于覆巖3個(gè)關(guān)鍵層內(nèi)，4號(hào)測點(diǎn)布置于關(guān)鍵層3上覆巖層內(nèi)，各測點(diǎn)深度分別為:1號(hào)測點(diǎn)-452 m，2號(hào)測點(diǎn)-423 m，3號(hào)測點(diǎn)-370 m，4號(hào)測點(diǎn)-331 m，各關(guān)鍵層厚度自下而上分別為12.0，9.8，23.0 m，巖移測點(diǎn)通過采用爪式結(jié)構(gòu)與各關(guān)鍵層進(jìn)行固定，保持運(yùn)動(dòng)同步，實(shí)時(shí)記錄巖移數(shù)據(jù);同時(shí)，記錄工作面支架工作阻力，并與巖層移動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，監(jiān)測工作面上覆各巖層破斷失穩(wěn)的礦壓作用特征。覆巖測點(diǎn)布置示意及監(jiān)測期間工作面來壓特征如圖5所示。

監(jiān)測結(jié)果表明，低位距煤層22,51 m的關(guān)鍵層1、關(guān)鍵層2破斷失穩(wěn)，工作面支架阻力隨之升高，動(dòng)載系數(shù)分別為1.15,1.34，來壓持續(xù)時(shí)間為7,16 h，工作面無明顯強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)特征。距煤層104 m厚23 m的關(guān)鍵層3破斷時(shí)，上覆隨動(dòng)層中測點(diǎn)4發(fā)生同步運(yùn)動(dòng)，工作面35～95號(hào)支架被壓死，支架動(dòng)載系數(shù)達(dá)1.54，此時(shí)工作面來壓持續(xù)時(shí)間最久，達(dá)43 h，如圖5(b)所示，關(guān)鍵層3距煤層距離與煤層厚度的比值為5.47。

為進(jìn)一步分析覆巖礦壓作用強(qiáng)烈的層位范圍，基于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值計(jì)算的研究方法，以塔山煤礦一盤區(qū)鉆孔柱狀為依據(jù)，研究煤層開采后覆巖不同層位堅(jiān)硬頂板的破斷強(qiáng)度及能量釋放特征。煤層上覆150 m范圍內(nèi)賦存5層厚硬砂巖層，自下而上距煤層距離分別為17,45,75,107,146 m，厚度9.44,9.10,10.12,12.20,12.90 m。物理模擬得到不同層位堅(jiān)硬頂板破斷對工作面的沖擊強(qiáng)度如圖6(a)所示，研究表明，距離煤層107 m的厚硬巖層KS4破斷對采場礦壓作用最為強(qiáng)烈，巖層破斷造成直接頂處垂直位移變化量最大達(dá)2.3 m;隨關(guān)鍵層距煤層垂直距離增加及下賦多巖層結(jié)構(gòu)的墊層作用，KS5(距煤層146 m)破斷后采場的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)明顯減弱，直接頂垂直位移變化量降低至1.3 m[23]。同時(shí)，數(shù)值計(jì)算得到不同層位堅(jiān)硬頂板破斷的能量釋放強(qiáng)度，如圖6(b)所示，隨厚硬巖層距煤層距離的增加，巖層破斷釋放的能量呈先增加再降低的趨勢，距離煤層100～150 m的堅(jiān)硬巖層破斷，對采場沖擊作用最為強(qiáng)烈[23-25]，與物理相似模擬得到的試驗(yàn)結(jié)果一致。

由此可知，堅(jiān)硬頂板特厚煤層開采時(shí)，因煤層開采厚度大，導(dǎo)致覆巖運(yùn)移范圍廣，低-中-高不同層位關(guān)鍵層均發(fā)生破斷失穩(wěn)，其中高位堅(jiān)硬頂板破斷步距大，釋放能量強(qiáng)度高，其破斷失穩(wěn)連同下賦巖層同步破斷回轉(zhuǎn)，是造成工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要因素。綜合現(xiàn)場實(shí)測和模擬研究發(fā)現(xiàn)，20 m特厚煤層開采，距煤層距離100～150 m的厚硬巖層對工作面影響最嚴(yán)重(即距煤層距離與煤層厚度比在5.0～7.5)，是地面壓裂層位選取的合理范圍。

2.3 壓裂井布置方式及位置確定

地面壓裂可以采用水平井和垂直井壓裂2種方式，其中水平井主要由垂直段、造斜段和水平段3部分構(gòu)成。水平井壓裂時(shí)，依據(jù)與工作面開采方位的空間位置關(guān)系，可分為水平段平行工作面推進(jìn)方向、垂直工作面推進(jìn)方向及斜交工作面推進(jìn)方向3種情況，布置靈活，可適應(yīng)不同條件的壓裂需求。

垂直井壓裂時(shí)，受巖層三向應(yīng)力分布的影響更大，尤其受采動(dòng)應(yīng)力影響后，裂縫擴(kuò)展規(guī)律更加復(fù)雜。煤層開采后上覆巖層原巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，同時(shí)伴有裂隙的萌生和發(fā)育，所以對于地面壓裂位置的選取，以避開應(yīng)力超前擾動(dòng)及裂隙發(fā)育的區(qū)域?yàn)樵瓌t。具體計(jì)算時(shí)，依據(jù)工程地質(zhì)條件建立數(shù)值模型，分析工作面采位、壓裂目標(biāo)層層位及水平垂直應(yīng)力條件下應(yīng)力超前影響范圍;結(jié)合超前裂隙發(fā)育區(qū)域，綜合確定壓裂位置距離工作面的最小水平距離D，如圖7所示。

以塔山8101工作面為例，模擬得到距離D與各影響因素的回歸模型[25]，其回歸擬合度達(dá)0.98:

D=33.632ln L-213.074ln Z+881.554×

P-2.706+899.326

(1)

式中,D為壓裂區(qū)域距工作面最小距離，m;L為工作面開采距離，m;Z為目標(biāo)層距煤層距離，m;P為巖層初始水平垂直應(yīng)力差，MPa。

由此，對于地面壓裂位置的選取，總結(jié)以下2條原則[25-26]:

(1)工作面未開采時(shí)，高位堅(jiān)硬巖層未受采動(dòng)影響，此時(shí)地面壓裂位置的選取綜合堅(jiān)硬巖層初次破斷步距、周期破斷步距以及巖層所處三向應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行確定，以減小巖層初次破斷、周期破斷強(qiáng)度為原則;

(2)工作面開采后，受采動(dòng)影響高位堅(jiān)硬巖層三向應(yīng)力狀態(tài)隨之改變，此時(shí)地面壓裂位置的選取首先需避開采動(dòng)影響范圍，具體根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合巖層的破斷步距以及預(yù)期需實(shí)現(xiàn)的壓裂效果，綜合考慮進(jìn)行確定。

2.4 地面壓裂參數(shù)選取

地面壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)是壓裂成功的保障，而壓裂面積、流量及時(shí)間是壓裂設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。對于壓裂參數(shù)的選取，需確定壓裂巖層地應(yīng)力場分布及壓裂要求裂縫的擴(kuò)展范圍。首先，數(shù)值模擬反演分析壓裂層位原巖應(yīng)力場分布特征，根據(jù)壓裂鉆井與工作面的位置關(guān)系及巖層地應(yīng)力場預(yù)判水壓裂縫擴(kuò)展方位;其次，基于壓裂需求確定水壓裂縫擴(kuò)展分布區(qū)域，為使地面壓裂后礦壓控制效果達(dá)到最大，水壓裂縫擴(kuò)展區(qū)域在煤層平面投影的范圍應(yīng)覆蓋工作面區(qū)域?；谒毫涯Ｐ蛯毫褏?shù)優(yōu)化研究，建立壓裂面積-流量-時(shí)間的關(guān)系模型，得到壓裂面積隨壓裂時(shí)間、流量的變化關(guān)系，科學(xué)指導(dǎo)壓裂參數(shù)的選取。

以塔山煤礦8101工作面地面壓裂工程試驗(yàn)為案例，對地面壓裂參數(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。8101工作面長230 m，綜合壓裂需求和地表壓裂選址條件，確定壓裂井位置距工作面一側(cè)巷道135 m，另一側(cè)95 m，經(jīng)分析，地面壓裂要求水壓裂縫的擴(kuò)展長度為245 m，擴(kuò)展寬度為130.6 m，分布面積為25 130 m2，如圖8(a)所示?；谒毫涯Ｐ偷玫綁毫堰^程壓裂流量-面積-時(shí)間的變化關(guān)系，如圖8(b)所示，最終確定地面水力壓裂流量為4～7 m3/min，壓裂時(shí)長為80～90 min。

2.5 地面壓裂裂縫擴(kuò)展監(jiān)控

地面壓裂裂縫的實(shí)時(shí)擴(kuò)展監(jiān)測有利于伺服調(diào)控地面壓裂流量，掌控壓裂時(shí)間和裂縫擴(kuò)展范圍，因此是地面壓裂成功實(shí)施的關(guān)鍵保障。地面壓裂裂縫的擴(kuò)展主要采用井上下微震聯(lián)合監(jiān)測的方法，其工作原理主要利用壓裂時(shí)產(chǎn)生的微地震，采用監(jiān)測系統(tǒng)對地震波進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉，根據(jù)地震波速度結(jié)構(gòu)、破裂定位與破裂能量分布，數(shù)據(jù)處理后形成微地震三維影像[15,27-29]，如圖9所示?，F(xiàn)場具體采用檢波器進(jìn)行監(jiān)測，其定位必須用高精度GPS準(zhǔn)確定位(GPS精度不大于1.0 m)，地面檢波器的埋置深度不小于10 cm，圍繞壓裂井壓裂段垂直放置，井下檢波器置于巷道鉆孔中。震源定位過程采用矩陣分析理論，來判別微地震震源坐標(biāo)。

微地震監(jiān)測是目前水力壓裂最精確、及時(shí)、信息最豐富的監(jiān)測手段。實(shí)時(shí)的微地震成像，可及時(shí)指導(dǎo)地面壓裂，對壓裂的范圍、裂縫發(fā)育的方向、大小進(jìn)行追蹤、定位，以便調(diào)整壓裂參數(shù)，同時(shí)客觀評(píng)價(jià)壓裂工程效果。

3 工程應(yīng)用

3.1 地面垂直井壓裂

3.1.1 壓裂井布置

以塔山煤礦8101工作面為現(xiàn)場試驗(yàn)地點(diǎn)，8101工作面主采石炭系3～5號(hào)煤層，工作面平均煤層厚度19.5 m，采用放頂煤一次采全厚，煤層傾角2°，煤層埋深465.72 m。工作面長230 m，走向1 445 m，工作面上覆多層堅(jiān)硬巖層，巖層多屬巖性致密完整的中細(xì)砂巖、粗礫砂巖。工作面上覆關(guān)鍵層KS Ⅲ，KS Ⅳ距煤層分別為109.87，144.65 m，其厚度分別高達(dá)10.65，9.75 m，屬高位厚硬巖層，是造成工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要因素，定為壓裂目標(biāo)層。采用垂直井進(jìn)行壓裂，根據(jù)前述理論研究結(jié)果對地面壓裂井位置進(jìn)行選取，確定壓裂井位置距8101工作面開切眼423 m，距2101進(jìn)風(fēng)巷139 m，如圖10所示[20,25]。

對KS Ⅲ，KS Ⅳ分2次分別進(jìn)行壓裂，于2017-01-17對KS Ⅲ壓裂，工作面采位233 m，距壓裂井198 m;2017-01-21對KS Ⅳ壓裂，工作面采位244 m，距壓裂井187 m。

3.1.2 裂縫擴(kuò)展及卸壓效果

對KS Ⅲ壓裂后，微震監(jiān)測得到裂縫擴(kuò)展形態(tài)如圖11(a)所示。由圖11(a)可知，裂縫擴(kuò)展方向?yàn)镹E65°，裂縫向2個(gè)相反方向擴(kuò)展長度分別為140，110 m，裂縫總長度250 m。對KS Ⅳ壓裂后，監(jiān)測得到裂縫擴(kuò)展如圖11(b)所示，裂縫擴(kuò)展方向?yàn)镹W68°，裂縫向兩側(cè)擴(kuò)展長度分別為118，100 m，裂縫總長度218 m。2層壓裂層的水壓裂縫以壓裂井為中心呈兩翼?xiàng)l帶狀分布，2翼方向的水壓裂縫擴(kuò)展均衡，基本呈對稱分布。微震事件表明裂縫擴(kuò)展整體較為發(fā)育，在壓裂井周圍裂縫擴(kuò)展最為發(fā)育，隨著與鉆井距離的增加，微震事件數(shù)量相對減少。

KS Ⅲ，KS Ⅳ壓裂后地層中微震事件的能量切片云圖如圖12所示。由圖12可知，KS Ⅲ壓裂后裂縫擴(kuò)展區(qū)域?qū)挾容^小處在30～40 m，較大處達(dá)100～110 m;KS Ⅳ壓裂后，裂縫擴(kuò)展區(qū)域?qū)挾容^小處在30～40 m，裂縫擴(kuò)展寬度較大處達(dá)100～120 m。綜合圖11，12可知，裂縫在長度和寬度方向擴(kuò)展范圍均較大，覆蓋范圍廣，保證了壓裂效果。

另外，8101工作面沿推進(jìn)方向在地表布置了垂直瓦斯抽采鉆孔，抽排采動(dòng)過程中頂板超前裂隙滲流區(qū)、采空區(qū)垮落帶及裂隙帶的瓦斯。地面壓裂后經(jīng)12號(hào)瓦斯抽采鉆孔對采場瓦斯進(jìn)行抽采，并與未壓裂工作面6號(hào)抽采孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)對比，如圖13所示。研究發(fā)現(xiàn)未進(jìn)行地面壓裂時(shí)，超前工作面40 m范圍裂隙開始萌生發(fā)育，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)逐步增加;經(jīng)地面壓裂后，超前工作面150 m即可抽采瓦斯，驗(yàn)證了地面壓裂裂縫的擴(kuò)展范圍。壓裂后經(jīng)地面對采場瓦斯抽采的工程試驗(yàn)也表明，大面積的壓裂裂縫，不僅利于控制頂板大范圍破斷，對于瓦斯抽采、控制采場瓦斯體積分?jǐn)?shù)亦有重要的作用。

對8101工作面在壓裂裂縫擴(kuò)展區(qū)域開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測分析，并與地質(zhì)條件相似的8109工作面(未采取壓裂)進(jìn)行對比。以8101，8109工作面中部55號(hào)支架為例，對工作面在380～520 m采位內(nèi)的來壓特征及支架受力狀態(tài)進(jìn)行對比分析，如圖14所示。

由圖14(a)可知，8109工作面開采至二次見方區(qū)域時(shí)(460 m附近)，工作面發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，來壓持續(xù)12 m,45～73號(hào)支架安全閥大面積開啟，支架壓死現(xiàn)象突出，工作面煤壁片幫嚴(yán)重。由圖14(b)可知，對8101工作面KS Ⅲ，KS Ⅳ堅(jiān)硬巖層壓裂后，工作面來壓特征發(fā)生了顯著變化。在壓裂裂縫擴(kuò)展區(qū)域內(nèi)，工作面未發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。支架安全閥未發(fā)生開啟，支架平均工作阻力降低21%，支架受力狀態(tài)得到極大改善;煤壁片幫率減少23%?？梢姷孛鎵毫褜刂撇蓤龅V壓顯現(xiàn)具有明顯效果。

3.2 地面水平井壓裂

3.2.1 壓裂井布置

8218工作面長230 m，走向長度2 894 m，煤層厚度15～22 m，埋深414.5～632.1 m，采用放頂煤一次采全厚，煤層傾角2°，工作面上覆多層堅(jiān)硬巖層，巖層多屬巖性致密完整的中細(xì)砂巖、粗礫砂巖，尤其在距煤層110 m位置賦存20 m的厚硬砂巖。工作面開采過程中，巷道變形、斷面收縮嚴(yán)重，對工作面通風(fēng)、運(yùn)料、行人造成極大困擾，經(jīng)研究表明高位20 m厚硬巖層破斷失穩(wěn)對臨空巷道產(chǎn)生徑向擠壓，其破斷失穩(wěn)是造成巷道強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要因素[24]。為降低高位厚硬巖層的礦壓作用強(qiáng)度，決定采用地面壓裂的方法對其進(jìn)行壓裂弱化。水平井壓裂技術(shù)控制范圍大，壓裂效果好，鑒于需實(shí)現(xiàn)對高位厚硬巖層的高效控制，本次壓裂采用水平井壓裂方式，如圖15所示。

壓裂井由垂直段、造斜段和水平段3部分組成，垂直段采用三開結(jié)構(gòu)，造斜段長330 m，水平段長200 m。井口位置距離工作面終采線99 m，距離工作面回風(fēng)巷105 m，進(jìn)風(fēng)巷125 m，壓裂井水平段延伸方向平行工作面推進(jìn)方向，與工作面推進(jìn)方向相反。

設(shè)計(jì)壓裂井200 m水平段內(nèi)均勻分3段進(jìn)行壓裂，各段的最大起裂壓力分別為12.46，10.00，10.33 MPa，用液量分別為470.9，549.0，576.9 m3。

3.2.2 裂縫擴(kuò)展及卸壓效果

為實(shí)時(shí)監(jiān)測裂縫擴(kuò)展方向，在地面壓裂井周圍根據(jù)要求布置檢波器，編號(hào)A1～C8，布置方位如圖16所示。

監(jiān)測得到地面壓裂后，裂縫在各壓裂段水平方向、垂直方向的擴(kuò)展長度見表2。第1段壓裂后，裂縫沿2個(gè)方向的擴(kuò)展長度分別為134，62 m，總長度196 m，擴(kuò)展高度43 m;第2段壓裂后，裂縫擴(kuò)展總長度216 m，高度50 m;第3段壓裂后，裂縫長度216 m，高度47 m?？梢?，采用水平井壓裂后，裂縫在水平方向擴(kuò)展范圍覆蓋了工作面區(qū)域，在垂直方向的擴(kuò)展范圍穿透了厚硬砂巖層，裂縫在水平方向、垂直方向的擴(kuò)展范圍均較大，形成了體積壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)。

對工作面進(jìn)入壓裂區(qū)域前及進(jìn)入壓裂區(qū)范圍內(nèi)，工作面巷道的變形特征進(jìn)行對比，如圖17所示。

當(dāng)工作面上覆堅(jiān)硬巖層未壓裂時(shí)，超前巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，以超前工作面60 m處的巷道變形為例，如圖17(a)所示，巷道兩幫變形量大，支護(hù)設(shè)備受損嚴(yán)重，頂?shù)装逡平?、兩幫移近量達(dá)1 500 mm以上;當(dāng)工作面進(jìn)入地面壓裂控制范圍，超前巷道變形得到極大控制，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥畲笞冃瘟坎蛔?00 mm，單體支柱無任何彎曲折損現(xiàn)象，巷道維護(hù)效果極佳。

對于高位堅(jiān)硬頂板的弱化控制，地面采用垂直井、水平井均可進(jìn)行壓裂，其中水平井壓裂裂縫擴(kuò)展范圍大，可在三維空間巖層范圍內(nèi)形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，壓裂控制效果更優(yōu)，但施工工藝相對較為復(fù)雜，成本偏高;垂直井壓裂工藝相對較為簡單，施工成本較低，但其裂縫擴(kuò)展不易形成體積網(wǎng)絡(luò)。具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)壓裂控制要求、兼顧壓裂成本和預(yù)期控制效果，選擇合適的壓裂方法。

4 結(jié)論及展望

4.1 結(jié) 論

(1)針對現(xiàn)有堅(jiān)硬頂板預(yù)裂技術(shù)控制范圍小、效果有限的問題，提出一種通過地面壓裂堅(jiān)硬頂板控制礦壓的方法。

(2)筆者對地面壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律、地面壓裂層位和位置選取、壓裂參數(shù)確定及壓裂裂縫擴(kuò)展監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)的研究成果進(jìn)行了介紹，給出了地面壓裂關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)選取準(zhǔn)則，并就現(xiàn)場水平井、垂直井的壓裂應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了具體介紹。

(3)理論與實(shí)踐研究結(jié)果表明，地面壓裂裂縫可完全覆蓋工作面采場區(qū)域，控制范圍大，壓裂效果好，避免了采場強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。與傳統(tǒng)井下堅(jiān)硬頂板壓裂技術(shù)相比，地面壓裂技術(shù)對生產(chǎn)干擾小，可從地面實(shí)現(xiàn)對井下災(zāi)害的直接控制，開辟了煤礦領(lǐng)域堅(jiān)硬頂板控制的新途徑。地面壓裂技術(shù)不僅可控制高位堅(jiān)硬巖層，對于近場范圍的堅(jiān)硬頂板亦可進(jìn)行壓裂，其壓裂層位選取靈活，在覆巖橫向、縱向均可實(shí)現(xiàn)對巖層的全覆蓋，壓裂控制范圍大。

(4)煤礦堅(jiān)硬頂板壓裂技術(shù)在借鑒油氣增透壓裂工藝的基礎(chǔ)上，開展了大量研究和工程試驗(yàn)，其工藝簡單易操作，壓裂控制效果好，對覆巖控制范圍大，壓裂液僅用清水，經(jīng)濟(jì)環(huán)保污染小，形成了煤礦特色壓裂技術(shù)體系。地面壓裂技術(shù)在頂板控制上取得突破性進(jìn)展，開辟了井下災(zāi)害地面治理的科學(xué)途徑。

4.2 展 望

地面壓裂也是解決沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害的有效途徑。沖擊地壓是目前煤礦安全防控的重大難題，現(xiàn)有控制技術(shù)主要是基于井下解危的防御性治理手段。由于造成動(dòng)力災(zāi)害的最主要原因是應(yīng)力集中和能量積聚以及堅(jiān)硬頂板的賦存，而地面壓裂堅(jiān)硬頂板的技術(shù)手段，對于改變地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境具有積極的作用，可從源頭上對動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行防控?；诘孛鎵毫鸭夹g(shù)對堅(jiān)硬巖層弱化改性，使得集中應(yīng)力和能量轉(zhuǎn)移釋放，變沖擊礦井為不沖擊，然后再進(jìn)行井下采掘活動(dòng)，從源頭上消除(減小)沖擊地壓危險(xiǎn)性。為實(shí)現(xiàn)沖擊地壓由井下防御治理到地面源頭消沖的突破提供了技術(shù)支撐。

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來源：煤炭學(xué)報(bào)