水力致裂弱化坚硬顶板现场试验研究

水力致裂弱化坚硬顶板现场试验研究

孙兴林1，窦林名1，张士斌2，贺虎1，高京龙1

作者简介：孙兴林（1985-），男，硕士研究生，主要研究方向：矿山压力与岩层控制，采矿地球物理学，采矿工程. E-mail: sunxinglincumt@https://www.sodocs.net/doc/1915830129.html,

（1. 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116； 2. 兖矿集团济宁三号井，山东 济宁 272000）

5 摘要：本文针对坚硬厚层砂岩顶板进行水力致裂，以达到弱化顶板，降低其冲击倾向性的目的。首先介绍并引进波兰坚硬顶板水力致裂成套技术。通过对力学模型分析，掌握水力致裂工艺关键技术参数。再通过现场施工实践，最后达到了成功致裂顶板的目的，从而在坚硬砂岩老顶形成一个人为弱面结构，降低了厚、坚硬岩层的整体性，并改变其物理特性，致使坚硬顶板强度弱化，从而能有效防止冲击矿压的发生。同时通过钻屑的方法验证了在致裂过程10 后煤岩体应力明显降低。最后分析微震监测系统SOS 接收到的致裂过程矿震波形特点与频谱分布图，得出在致裂过程中会诱发小矿震，震动频率相对较大，能量主要集中在高频部分。 关键词：水力致裂; 坚硬顶板; 微震监测; 波形分析

中图分类号：TD327

15

field testing investigation on hydraulic fracturing to weaken

hard roof

SUN Xinglin 1, DOU Linming 1, ZHANG Shibin 2, HE Hu 1, GAO Jinglong 1

(1. State key laboratory of coal resource and safety mining, Jiangsu Xuzhou 221116; 2. Jisan Coal Mine, Yanzhou Coal Group Co.Ltd, Shandong Jining 272000)

20 Abstract: In this paper, the weakening theory of hard sandstone roof by hydraulic fracturing has been studied through the field application. First, the series of technology of hydraulic fracturing for hard sandstone roof from Poland was introduced. Then field investigation was conducted to obtain technical parameters for fracturing and reasonable job practice, thereby fracturing the hard roof successfully. More specifically, weak planes were formed by hydraulic fracturing, which 25 greatly reduced the integrity of thick hard roof as well as changed its physical properties, thus weakening its strength and reducing the risk of rock burst. Meanwhile, drilling method indicated that the stress in coal and rock declined significantly after fracturing. Additionally, it is concluded that hydraulic fracturing accompanied by acoustic emission will induce micro seismicity through analyzing waveform characteristics and spectral distribution of seismicity monitored by 30

Seismological Observation System (SOS) in the process of fracturing.

Key words: hydraulic fracturing; hard roof; microseismic observation; waveform analysis 0 引言

随着我国中东部煤田开采深度的逐年增加，深部开采诱发的煤岩动力灾害问题变得更加

35 突出。其中冲击矿压是最为棘手的一种煤岩动力灾害。它主要是由于积聚在煤岩体中的弹性能瞬间释放，造成巷道破坏、支架折损，同时还可能诱发煤与瓦斯突出等其他矿井地质灾害。 研究表明，冲击矿压往往发生在具有坚硬顶板的煤层中，特别是较强烈的冲击矿压往往发生在厚度大、强度高、整体性强、结构致密的坚硬厚层砂岩的煤层中，因此使坚硬顶板弱化能有效防止冲击矿压的发生[1]。一般来讲坚硬顶板的处理方式有深孔预裂爆破和强制放顶

40 技术。对于高瓦斯矿井、开采技术条件比较复杂的矿井，利用深孔爆破存在着潜在的安全隐患，而强制放顶技术工作量大效率低。岩石的水力致裂技术为处理厚层坚硬顶板提供了一种

简单、有效的方法[2]。 水力致裂技术原来主要应用于石油、天然气等其他矿床开采中。在波兰，煤矿广泛应用定向水力致裂技术用来劈裂坚硬厚层砂岩顶板，制造人为弱面结构，改变顶板的物理属性，

45 使坚硬顶板强度弱化，达到预防冲击矿压发生的目的[3]。此技术在波兰的成功应用，表明该方法具有高效性和实用性。我国最近几年在中东部深部开采矿井中，针对厚度大、强度高的砂岩顶板，也引用波兰的这套技术，取得了良好的经济技术效果。

1 水力致裂技术工艺

水力致裂动力系统主要组成包括高压泵站、控制阀、高压管路以及封口器等。辅助设备

50 是压力表和圆图记录仪，主要是实时观测注水过程中压力变化情况，钻孔窥视仪用来观测控制孔孔壁以及切槽情况。系统设备布置示意图如图1所示：

图1 系统设置布置示意图

55 在现场试验中，首先利用矿井地质钻机预先在需要致裂的巷道顶板上垂直打出孔径为φ46～48mm 的致裂钻孔，孔深8～10米。然后利用锚杆钻机在致裂孔周围布置观测钻孔，距离致裂孔3米、5米、7米不等，主要是观测致裂半径的大小，致裂钻孔深度要小于观测孔深度。

钻孔打好以后，要用钻孔窥视仪观测钻孔的孔壁，钻孔孔壁一定要光滑，不能出现螺旋

60 纹、裂隙和离层等情况，以防封口器不能有效地将钻孔封住[4]。然后将地质钻机钻头换成切槽刀具，缓缓送入钻孔底部，将地质钻机转速调慢，切槽过程跟打一般钻孔一样，钻孔大约需要钻进4～5cm 即可，从而切出一个楔形槽。

切槽完成后，根据采深大小以及钻孔布置位置等因素选择注水压力。然后将封口器连同矿用高压管伸入开槽后的钻孔底部，固定后注入高压水，观测压力表读数变化，等待3～5

65 分钟左右，致裂过程中顶板处应有微破裂声，致裂成功后，可以从观测孔可以看到流水，流量从小到大，水质从开始的浑浊，到逐渐变清[5]。坚硬顶板从切槽处逐渐向四周劈裂开来，形成一个裂隙。实验验证，致裂半径可以达到6～10m 。

2 水力致裂技术力学分析

初始裂缝的尖端用断裂力学椭圆形尖端分析理论进行分析。所示图2为建立的初始裂缝

70 受力分析模型。尖端应力强度因子如下[6]

:

~

sin 22212h v h v N p B k k σσσσσ?+??=????????=??式（）

断裂因子满足起裂角H o 的方程式及最大周应力断裂准则： ~~2sin (3cos 1)0

23cos (cos sin )222O O N o o o N IC H H H H H k k k k k σσ+?=????=??式（） 式中h σ、v σ、p 、B 、O H 、~

N k 、k σ、IC k 分别是水平应力、垂直应力、注水压力、75 初始裂缝倾角、开裂角、N 型尖端应力强度因子、σ型尖端应力强度因子、岩石断裂韧度。

现场试验中致裂位置选定后，根据煤层采深可以确定垂直应力，通过现场实测地应力和计算求解可以得出水平应力，当致裂参数设定后，初始裂缝的直径和倾角就是已知量，而IC k 是岩石固有属性。因此通过式（1）、式（2）就能算出致裂所需注水压力[7]。

通过以上力学理论分析可知，致裂坚硬顶板的影响因素主要有以下几个方面：钻孔所在

80 部位受的垂直应力以及水平应力、初始裂缝的倾角、初始裂缝的直径、岩石的断裂韧度及起裂角等。现场实际施工过程中，在钻孔底部用刀具切成内嵌的环形楔形槽，初始裂纹直径为100～120mm,切槽倾角为0度。根据力学原理可知，应力在尖端急剧变化，产生应力集中，尖端应力值max σ急剧增加。当注水压力满足岩石的破裂强度时，坚硬顶板砂岩将被压裂[8]。

85 图2 初始裂缝应力分布图3 现场试验应用

我们选择在某矿井6305工作面辅顺巷停采线附近进行了现场试验研究。工作面煤层无伪顶、直接顶，老顶为中砂岩，厚度为22.38～28.74m ，平均厚度为26.35m ，灰白色，成分以石英为主，含少量长石，粘土质胶结，坚硬，具斜层理，并有少量炭质条纹，f =8～10，

90 属于坚硬砂岩顶板条件。6305工作面最深处-680m ，埋深约700m ，老顶抗拉强度取抗压强度的1/10，为8～10MPa ， 实验研究采用矿用液压泵站，最大提供压力位31.5MPa 的乳化液，同时能保证80L/min 的流量。

钻孔布置图见图3示：1#钻孔布置在停采线附近，观测孔距离致裂孔距离分别为3米、5米。2#致裂布置在密闭墙附近，观测孔分别距离为6.5米、11.5米。1#、2#致裂钻孔分别

95 监测不同的致裂半径。

（a） 6305钻孔布置平面图（b) 6305钻孔布置剖面图

100

图3 6305工作面钻孔布置图

切槽完成后，必须用钻孔窥视仪观测切槽质量，关键是看槽周边有没有形成一个楔形尖端，切槽质量符合水力致裂要求，使尖端能够形成拉应力集中。最后将封孔器连同高压管一起送入钻孔底部，固定装置，然后注入高压水，开始致裂岩石。整个致裂过程大约持续3～105

5分钟。

4致裂效果分析

4.1致裂效果观测及压力变化

首先致裂1#钻孔，当注入高压水时，首先听到岩石破裂声音，由近及远，接着就在距离1#致裂孔3米远的观测孔1有乳化液流出，水流由小到大，过了几分钟后，距离1#钻孔110

为5米的观测孔2也有乳化液流出，流量要比观测孔1要小一些。如图4所示：

3米距离观测孔乳化液5米距离观测孔乳化液

图4 致裂效果观测图

115

同时，观测到的高压管路中的压力变化如图5所示：（图中的数据大约每10s观测一次）第1分钟的时候，压力迅速增加到最大压力，当到了50s的时候，开始致裂，致裂延时将近两分钟，当到了150s的时候，致裂过程结束，随之压力处于一个平衡期，在11MPa上下波动。

为了验证1#致裂孔是否已经达到最大的致裂半径，我们在1#钻孔致裂平衡后，停止供120

液并泄压，当压力表中的压力显示为0MPa时，再次加压供液，压力变化如图6所示：由图中可以看出，压力一直稳定在11MPa左右，正如第一次加压后，压力稳定在平衡区域。说明水力致裂已经达到最大的致裂半径，并和供液系统构成一个稳定的系统，压力稳定在某一值附近，这个平衡压力可以判定水力致裂在已给供液压力的情况，可以大致判定致裂是否彻底。

5

10

15

20

25

30

135791113151719212325

压力/M P a 压力观测次数数字压力表读数压力平衡区域致裂压力变化

图5 1#致裂孔压力变化趋势图

图6 1#致裂孔第二次加压压力变化趋势图

125 1#致裂孔已经验证了致裂半径达到了5米范围，2#致裂孔主要是验证致裂半径能否大于5米。当对2#钻孔注入高压水时，过了大约有3分钟，在距离钻孔

6.5米的钻孔有乳化液流出，乳化液流量由小到大，然后趋于稳定，在距离2#钻孔11.5米的观测孔，始终没有乳化液流出，说明致裂半径已经到达6.5米，还有达到11.5米的范围。于此同时，观测到的压力表读数变化趋势如图7所示，整体趋势与1#致裂孔相似，由于致裂半径增大，致裂时间增130 加。（图中每30s 观测一次压力数据）。 4.2 矿山压力监测及震动频谱分析 为了验证水力致裂对煤岩层的卸压效果，在对1#钻孔致裂前，在钻孔附近位置打煤粉钻，并观测钻屑量大小。在钻进过程中出现了吸钻卡钻等煤岩动力效应，且煤粉量高于临界煤粉量，说明此处为高应力区域[9]。在水力致裂结束后，在致裂范围内又打煤粉钻，进行钻135 屑测定，在打钻过程中没有出现动力效应，煤粉量在临界煤粉量以下（图8所示），这说明水力致裂能破坏厚硬岩层的整体性，改变其物理属性，降低其强度，使局部应力释放，有效降低其冲击性，从而能够有效防止发生冲击矿压的可能[10]。

图7 2#致裂孔压力变化趋势图

2#钻孔在致裂过程中出现了矿压显现情况，顶板出现了明显的下沉，2#致裂孔由于距离

140 密闭墙较近，如图3（a ）6305钻孔布置平面图所示，当在来压的时候，密闭墙被压裂变形，并出现较小的煤炮响声。

在致裂过程中伴随有矿压显现情况，并诱发一系列小矿震事件，通过微震监测系统SOS 布置在6305工作面停采线附近的探头可以定位到这些微震事件震源发生的地点和能量大小。矿震震源位置在致裂孔附近，震动能量偏小。从距离致裂钻孔较近的探头接收到的波形

145 中可以看出各个通道震动波形振幅在510?数量级以下，噪声信号干扰较大。图9是个别通道的震动波形记录和频谱分析图，从图中可以看出震动波形所受干扰较大，整个波形序列出现了“毛刺”，但是依然能分辨出P 波。从频率分布图可以看出，震动信号的频带较宽，主要在

0.5～200HZ 之间，主频不明显，震动能量主要集中在120～170HZ 之间的高频部分，整个震动频率较一般矿震频率有向高频演变的趋势。通过以上分析可以得出水力致裂诱发的微震

150 动波形中具有能量小、震动波形干扰较大、震动能量主要集中在高频部分。在现场试验中在试验过程中，也可以听到煤岩体破裂的声音。

-5时间（s）

振幅（m V ）第4通道震动信号波形图

-4频率（Hz）幅度第4通道震动信号频谱图

图9 水力致裂诱发微震波形频谱图 155 5 结论

1）通过建立力学模型分析可知，当致裂钻孔位置确定后，影响水力致裂技术工艺关键因素就是注水压力大小和切槽的倾角及质量。要根据岩体应力和岩体极限抗拉强度选择合适的注水压力，并同时保证80L/min 的流量。切槽一定要形成一个楔形尖端，才能形成应力集中。

160 2）致裂效果可以通过观察观测孔中是否有乳化液流出，当有乳化液流出的时候，就说明已经达到了相应的致裂半径。在本次现场实践中，致裂半径已经达到了6.5米。致裂过程中高压管路中压力迅速达到一个相对最大值，然后压力逐渐变小，最后到达一个稳定状态。

3）致裂过程中有矿山压力显现和小煤炮声，并诱发一些列小矿震事件。小能量矿震事件是煤岩体正常卸压的一种方式。根据致裂前后钻屑量对比，在钻进过程中也没有出现动力

165 效应，验证了在致裂后煤岩体应力变小。最后分析由微震监测系统记录到的震动波形和频谱图，可以看出微震事件波形振幅较小，频率相对较高，能量主要集中在高频部分。因此由水力致裂诱发的矿震事件是煤岩体正常卸压的一种方式。

[参考文献] (References)

170 [1] 窦林名，何学秋。冲击矿压防治理论与技术[M]。徐州：中国矿业大学出版社，2001

[2] 靳钟铭, 徐林生. 煤矿坚硬顶板控制[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1994.

[3] 牟宗龙, 窦林名. 坚硬顶板突然断裂过程中的突变模型[J]. 矿山压力与顶板管理, 2004, 21( 4 ): 90-92, 75.

[4] 春兰, 何晓, 向斌等. 水力压裂技术现状及其进展[J].天然气技术,2009, 3 (1).[5] 闰少宏,宁宇,康立军,等. 175 用水力压裂处理坚硬顶板的机理及实验研究[ J]. 煤炭学报, 2000, (7).

[6] 丁遂栋,孙利民.断裂力学.[M]. 北京: 机械工业出版社, 1998.

[7] 杜涛涛，窦林名，陆菜平，等。定向水力致裂坚硬顶板的现场实验研究[J]。煤炭工程，2009,12:73-75

[8] 孙守山，宁宇，葛钧.波兰坚硬顶板定向水力压裂技术[J].煤炭科学与技术，1999,27（4）:51-52

[9] 窦林名, 刘贞堂, 曹胜根, 等.坚硬顶板对冲击矿压危险地影响分析[J]. 煤矿开采, 2003, 8(2): 58-60, 66.

180

[10] 王慧明. 坚硬顶板型组合煤岩动力冲击效应研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2005.