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第4 6 卷第3 期 2 0 2 1 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6 N o ．3 M a r ．2 0 2 1 大空间坚硬顶板地面压裂技术与应用 于斌1 ，高瑞2 ，夏彬伟1 ，匡铁军3 1 ．重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆4 0 0 0 4 4 ；2 ．太原理工大学矿业工程学院，山西太原0 3 0 0 2 4 ；3 ．晋能控股集团，山 西大同0 3 7 0 0 0 摘要坚硬顶板强度高、破断步距大，矿压作用强烈，是煤矿顶板控制的一大难题，特别是特厚 煤层开采条件时，因开采扰动范围广，大空间坚硬顶板破断失稳，造成采场矿压显现更加复杂、 强烈。研究表明，坚硬顶板特厚煤层开采，高位厚硬岩层的破断失稳是造成采场强矿压的主要 因素，但现有井下预裂技术无法控制。为此，提出了煤矿坚硬顸板地面压裂控制采场矿压的方 法，开展了大型真三轴原位试件 20 6 0m m x l2 0 0m m 12 0 0r a m 水力压裂试验研究，揭示了水 压裂缝扩展形态及压裂全过程试件应力应变演化规律；给出了地面压裂关键层位范围，综合工 作面采位、压裂层位、覆岩应力及裂隙发育特征，建立了压裂位置确定的理论模型及选取准则； 给出了压裂面积一流量一时间的关系模型，得到压裂面积随压裂时间、流量的变化关系；研发了水 压裂缝井上下微震一体化联合监测技术，综合前述研究，形成了大空间坚硬顶板地面压裂控制 技术体系，并进行了垂直井、水平井压裂工程实践。结果表明，地面压裂裂缝扩展范围大，垂直 井分级压裂裂缝扩展长度达2 5 0 ，2 1 8m ，裂缝宽度3 0 ～1 2 0m ，水平井分段压裂裂缝扩展长度 1 9 6 ～2 1 6m ，裂缝高度4 3 ～5 0m ，裂缝扩展均覆盖了工作面范围，穿透了压裂目标层。井下采场 矿压监测表明，工作面开采至压裂裂缝扩展区内，支架阻力降低2 1 ％，煤壁片帮率减少2 3 ％，超 前单体无任何弯曲折损现象，巷道围岩稳定，压裂控制效果好。可见，坚硬顶板地面压裂技术， 可从源头杜绝采场强矿压的发生，探索了煤矿领域坚硬顶板控制的新途径，为解决类似由高位 岩层、高位结构失稳引起的矿压灾害控制提供借鉴。 关键词坚硬顶板；地面压裂；压裂参数；水平井；垂直井 中图分类号T D 3 2 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 1 0 3 - 0 8 0 0 - 1 2 G r o u n df r a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o no fh a r dr o o fi nl a r g es p a c e Y UB i n l ，G A OR u i 2 ，X I AB i n w e i1 ，K U A N GT i e j u n 3 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f C o a fM i n eD i s a s t e rD y n a m i c sa n dC o n t r o f ，C h o n g q i n gU n i v e r s i t y ，C h o n g q i n g4 0 0 0 4 4 ，m i n a ；2 ．C o l l e g eo y M i n i n gE n g i n e e r i n g ， T a i y u a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，T a i y u a n0 3 0 0 2 4 ，C h i n a ；3 ．J i n n e n gH o l d i n gG r o u p ，D a t o n g0 3 7 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h eh i g hs t r e n g t ha n dl a r g ec a v i n gs p a no fh a r dr o o f sr e s u l t si nas t r o n gm i n ep r e s s u r ew h i c hi s am a j o r p r o b l e mi nr o o fc o n t r 0 1 ．E s p e c i a l l yi nt h ec o n d i t i o no fe x t r a t h i c kc o a ls e a mm i n i n g ，d u et ot h el a r g em i n i n gt h i c k n e s s ， t h eh a r dr o o f si nt h eo v e r l y i n gl a r g es p a c ew o u l db r e a k ，a n dr e s u l t i n gi nc o m p l e xa n ds t r o n gm i n i n gp r e s s u r ei nw o r k - i n gf a c e ．T h es t u d ys h o w st h a tt h eb r e a k a g eo ft h eh a r dt h i c ks t r a t a H T S w i t had i s t a n c em o r et h a n1 0 0ma b o v et h e 收稿日期2 0 2 0 1 0 2 8修回日期2 0 2 1 一O 卜1 9 责任编辑钱小静D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j e c s ．Y T 2 0 ．1 6 9 7 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 8 Y F C 0 6 0 4 5 0 0 ；山西省揭榜招标资助项目 2 0 1 9 1 1 0 1 0 1 5 作者简介于斌 1 9 6 2 一 ，男，黑龙江海伦人，教授。E m a i l y u b i n 0 3 5 2 1 6 3 ．c o m 通讯作者高瑞 1 9 9 1 一 ，男，陕西榆林人，副教授。E - m a i l g a o r u i t y u t ．e d u ．e l l 引用格式于斌，高瑞，夏彬伟，等．大空间坚硬顶板地面压裂技术与应用[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 1 ，4 6 3 8 0 0 8 1 1 ． Y UB i n ，G A OR u i ，X I AB i n w e i ，e ta 1 ．G r o u n df r a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o no fh a r dr o o fi nl a r g es p a c e [ J ] J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 3 8 0 0 - 8 1 1 ． 移动阅读 万方数据 第3 期于斌等大空间坚硬顶板地面压裂技术与应用 8 0 1 c o a ls e a mi st h em a i nf a c t o rc a u s i n gt h es t r o n gm i n i n gp r e s s u r ei nw o r k i n gf a c e ，h o w e v e r ，t h e r ea r en oe x i s t i n gp r e f r a c t u r i n gt e c h n i q u e st ob eu s e dt oc o n t r o lt h eH T S ．F o rt h i sp u r p o s e ，t h ea u t h o r sp u tf o r w a r dat e c h n i c a lp r o p o s a lo n g r o u n df r a c t u r i n gH T St oc o n t r o lt h em i n ep r e s s u r ef o rt h ef i r s tt i m e ，a n dt h ec r a c kp r o p a g a t i o nl a wi nt r i a x i a li n s i t u s p e c i m e n sw e r ec o n d u c t e d ，t h ep r o p a g a t i o np a t t e r no fh y d r a u l i cf r a c t u r e sa n dt h es t r e s sa n ds t r a i ne v o l u t i o no fs p e c i m e n sd u r i n gt h ew h o l ef r a c t u r i n gp r o c e s sw e r er e v e a l e d ．T h ek e yr a n g ef o rg r o u n df r a c t u r i n gi sg i v e n ，a n db yi n t e g r a t i n gt h em i n i n gp o s i t i o n ，f r a c t u r i n gh o r i z o n ，o v e r b u r d e ns t r e s sa n df r a c t u r ed e v e l o p m e n t ，at h e o r e t i c a lm o d e la n ds e l e c - t i o nc r i t e r i af o rd e t e r m i n i n gf r a c t u r i n gp o s i t i o nw e r ee s t a b l i s h e d ．T h em o d e lo ff r a c t u r i n ga r e a f l o w t i m ew a sg i v e n ，a n d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf r a c t u r i n ga r e aa n df r a c t u r i n gt i m ea n df l o wr a t ew a so b t a i n e d ．T h eg r o u n d - u n d e r g r o u n dc o m - b i n e df r a c t u r e sm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yw a sd e v e l o p e d ，a n dc o m b i n e dw i t ht h ep r e v i o u sr e s e a r c h e s ，t h es y s t e mo fh a r d r o o fc o n t r o lb yg r o u n df r a c t u r i n gt e c h n o l o g yw a sd e v e l o p e da n dt h ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a lw e l lf r a c t u r i n ge n g i n e e r i n g p r a c t i c ew e r ec a r r i e do u t ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef r a c t u r ep r o p a g a t i o nr a n g ed u r i n gv e r t i c a lw e l lf r a c t u r i n gw a s l a r g ew h i c hc o u l dr e a c h e d2 1 8m a n d2 5 0ml e n g t h ，3 0mt o1 2 0mw i d t h ．D u r i n gh o r i z o n t a lw e l lf r a c t u r i n g ，t h ef r a c t u r ep r o p a g a t i o nw a s19 6t o2 1 6m l e n g t h ，a n d4 3t o5 0mh e i g h tw h i c hc o v e r e dt h ea r e ao fw o r k i n gf a c e ．T h eu n d e r - g r o u n dm i n ep r e s s u r em o n i t o r i n gs h o w e dt h a tt h es u p p o r tr e s i s t a n c ew a sr e d u c e db y21 ％．c o a lw a l ls p a l l i n gr e d u c e d b y2 3 ％w h e nt h ew o r k i n gf a c em i n e di n t ot h ef r a c t u r i n gc r a c kp r o p a g a t i o nz o n e ，t h e r ew a sn ob e n d i n go rd a m a g eo f p r o p s ，a n dt h es u r r o u n d i n gr o c ki nt h ew o r k i n gf a c ew a ss t a b l e ，w h i c hp r o v e dt h eg r e a te f f e c t o fg r o u n df r a c t u r i n g ．T h e s t u d ys h o w e dt h a tt h eg r o u n df r a c t u r i n ga v o i d e dt h es t r o n gm i n ep r e s s u r ei nw o r k i n gf a c ea n do p e n su pan e ww a yo f h a r dr o o f sc o n t r o li nc o a lm i n e ．T h eg r o u n df r a c t u r i n gi so fg r e a ts i g n i f i c a n c et os o l v et h em i n ep r e s s u r ed i s a s t e rc a u s e d b yt h eb r e a k a g eo fh i g h l e v e lH T S ． K e yw o r d s h a r dr o o f s ；g r o u n df r a c t u r i n g ；f r a c t u r i n gp a r a m e t e r ；h o r i z o n t a lw e l l ；v e r t i c a lw e l l 岩层控制是煤矿安全高效开采的核心。坚硬顶 板强度高、破断步距大、影响范围广、矿压作用强烈、 力学行为复杂、是煤矿顶板控制的一大难题叫1 ；且 煤层开采厚度越大，坚硬覆岩运移破断越复杂，采场 矿压显现越强烈，增加了岩层控制的难度。尤其煤层 开采逐渐进入深部以后，由于深部岩体典型的“三 高”赋存环境，加之特厚煤层开采的“高强度”和“强 时效”特性，造成覆岩大空间范围内的岩层破断力学 行为异常复杂，工程灾害频发，难以预测和有效控 制⋯，因此对大空间坚硬顶板的控制提出了更高的 要求。 针对特厚煤层放顶煤开采的采动力学行为，谢和 平等怕1 揭示了围岩采动力学特征及采动应力环境； 围绕坚硬顶板矿压控制，国内外主要形成了以加强支 护、卸压开采、预裂弱化为主的技术手段。加强支护 方面，国内外学者结合坚硬顶板赋存及其破断的采场 应力分布特征，提出了相应的加强支护技术方案，取 得了一定的效果M 。7J 。卸压开采方面，解放层开采技 术卸压效果较为明显，在冲击地压、高瓦斯突出矿井 中应用较为广泛旧‘9o 。围绕坚硬顶板预裂弱化方面， 代表性的有水力压裂、钻孔爆破等技术，目前在井下 广泛应用o1 0 - 1 3 1 。上述技术手段在一定程度上提高了 坚硬顶板工作面的安全生产效率，但目前围绕加强支 护、卸压开采、预裂弱化方面的控制技术仍存在些许 不足。加强支护技术无法满足强矿压、冲击地压等动 力灾害的安全需求；解放层卸压开采技术对地质条件 的依赖性较大，需存在合适的解放层开采煤层，开采 成本高；顶板预裂弱化技术主要在井下应用，受井下 空间、压裂装备、钻孔长度等条件制约，控制范围在 5 0m 以内，效果有限。 以山西大同矿区坚硬顶板特厚煤层开采为例， 2 0m 特厚煤层一次开采，覆岩破坏范围达2 5 0m 以 上4 6 | ；由于上赋多层坚硬顶板，其破断失稳造成采 场矿压显现强烈，支架压死、巷道破坏等强矿压显现 频繁，严重影响安全生产7 ‘1 9J ，因此对坚硬顶板控制 提出了更高的要求，需要在更大空间范围内对其进行 控制。为此，笔者团队提出了地面压裂坚硬顶板控制 矿压的方法，传统井下水力压裂技术经过多年的发 展，在井下应用取得了不错的效果。井下压裂多用于 巷道内对侧向或端头悬板的压裂弱化，以减小端头悬 板面积，从而降低巷道支承应力；与井下压裂不同，地 面压裂高位坚硬岩层则是通过对岩层破断之前的压 裂改造，改变岩层的破断行为及其矿压作用。相比井 下压裂，不同的压裂层位、岩层结构及裂缝扩展范围， 对于坚硬岩层的弱化卸压机理也不同。 地面压裂技术在大同矿区进行了工程应 用Ⅲ‘22 | ，结果表明，地面压裂裂缝扩展范围大，可覆 盖工作面范围。笔者在揭示大型真三轴原位试件裂 万方数据 8 0 2 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 缝扩展规律的基础上，对压裂层位、压裂位置、压裂流 量及压裂裂缝扩展实时监控等关键技术展开研究，以 逐步完善地面压裂坚硬岩层的理论体系。地面压裂 技术探索了煤矿领域坚硬顶板控制的新途径，可有效 避免采场强矿压及冲击地压动力灾害的发生，为解决 类似由高位岩层结构失稳引起的矿压灾害控制提供 借鉴。 l坚硬顶板地面压裂技术的提出 1 ．1 研究背景 大同矿区目前主采石炭系3 ～5 号特厚煤层，煤 层厚度2 0I l l ，采用放顶煤一次采全厚的方法，煤层埋 深4 0 0 6 5 0I l l ，覆岩赋存多层坚硬砂岩，抗压强度在 6 0 ～1 2 0M P a 。因煤层一次开采厚度大，覆岩破断运 移范围广，大空间坚硬顶板发生破断失稳，造成采场 矿压显现复杂且强烈。工作面液压支架行程降低，安 全阀大幅开启，煤壁片帮、巷道变形严重，甚至有动载 矿压发生，此时工作面支架大范围被压死，超前单体 支柱弯曲折损劈裂现象严重。 为探明覆岩运移规律及强矿压显现机理，团队综 合大量现场原位实测、相似模拟、理论分析等研究发 现，坚硬顶板特厚煤层开采条件下，大空间覆岩破断 形成“悬臂梁一砌体梁一高位结构”的复杂结构特 征 图1 。其中高位结构破断步距大，影响范围广， 其破断失稳易造成工作面高强度来压，是诱发采场强 矿压显现的主要因素。在此研究基础上，团队首次提 出了大空问采场岩层控制理论，大空间的提出源自 “坚硬顶板 特厚煤层”开采的超大空间范围，该理论 将大空间岩层范围划分为远场和近场，并建立了大空 间多层位覆岩结构力学模型旧2 | ，揭示了不同层位顶 板破断结构失稳的矿压作用机制，为顶板控制范围提 供了理论基础。“o 。 图1大窄问覆岩结构及矿压作用特征 F i g ．1O v e r l y i n gs t r a t as t r u c t u r ea n t ] g r o u n dp r e s s u r ei n l a r g es p a c e 1 ．2 地面压裂思路的提出 高位坚硬岩层的大破断步距、整体性破断回转是 引发强矿压显现的主要因素。因此，采用合理的技术 手段对高位坚硬岩层实施弱化改性，改变其物理力学 特性、结构赋存及破断特征，降低其破断失稳的矿压 作用强度，改善采场应力环境，是实现强矿压预防的 有效途径。 目前国内外以水力压裂和爆破为主的坚硬顶板 预裂弱化技术主要在井下范围使用，受限于井下压裂 装备、技术及施工条件限制，控制范围仅局限于煤层 上覆顶板5 0n ，对于1 0 0m 以上的高位坚硬岩层束 手无策。地面钻井压裂技术是油气田开发过程中普 遍使用的一种增产技术，其作用机理是将压裂液通过 液压泵泵入储层，使得在目标层内形成具有一定几何 尺寸和导流能力的人工增透裂缝，从而提高抽采效 率。地面压裂增透的同时，大面积裂缝也弱化了岩体 强度，借鉴该技术思路，笔者团队提出了煤矿顶板地 面压裂控制矿压的方法，通过地面对高位坚硬顶板实 施压裂改造，降低岩层的整体性及其破断强度，达到 控制矿压的目的【”。2 ，如图2 所示。 I 到2 地面压裂坚硬顶板，下蒽 F i g ．2 S c l e m a ／i ed i a g r a mo fg r o u n df i a c t u r i n gh a r dF O O _ f S 根据所要达到的压裂效果，可以采用垂直井和水 平井2 种压裂方式，压裂井垂直段整体结构为三开井 身结构。首先在压裂目标层区域进行射孔，在压裂井 四壁形成多个／J , 孑L ，使压裂液能够通过／J , 4 L 进行扩 展，实现压裂，压裂液一般采用清水即可，安全环保。 2 坚硬顶板地面压裂控制技术 煤矿坚硬顶板地面压裂技术与油气压裂不同，受 顶板破断及采动应力场影响，煤矿地面压裂有其特殊 性，地面压裂层位、压裂井位置、压裂参数及裂缝扩展 监控等均对压裂效果产生直接影响。 2 ．1 裂缝扩展规律试验 探明采动应力场影响下的裂缝扩展规律是实现 地面压裂高效控制的基础。现有对水力压裂裂缝扩 展的研究多基于实验室试验和模拟，其中实验室试验 是反映裂缝扩展规律最直接有效的方法，但现有实验 万方数据 第3 期于斌等大空问坚硬顶板地面压裂技术与应用 8 0 3 尺寸偏小，试验试件的尺寸多为3 0 0m i l l 3 0 0m m 3 0 0m m ；且实验室应力环境与井下原岩应力差别较 大。为更加真实反映水压裂缝的扩展规律，综合考虑 压裂地层岩体特征、裂隙及层理面发育状况、地应力 分布等因素，实验室开展了原位大尺寸试件水力压裂 试验研究，原位试件尺寸14 2 0m m 5 3 0n l n l 4 2 0m m ，采用重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家 重点实验室的大型真三轴压裂试验系统，如图3 所 示。水力压裂物理模拟试验系统主要由3 部分组成 大型真三轴伺服加载系统、泵压系统、水力压裂实时 监测系统 声发射、三维定位实时监测系统 等。真 三轴试验系统采用均布加载器向岩样面加载，试验系 统内腔的左右两侧和顶部及后承载系统的内侧均安 装有均布加载器，前反力装置内侧和承载环内腔下平 面为被动加载。25 I 。为避免原位试件四周应力盒、声 发射探头等监测设备与真三轴加压油缸直接接触，达 到保护监测设备的目的，采用混凝土对原位试件浇筑 外壳，浇筑后的试件尺寸为20 6 0m m 12 0 01 1 1 n l X 12 0 0m m 。为更真实体现原岩应力条件下的裂缝扩 展规律，实验室加载应力与现场原岩应力成比例进行 加载，加载应力为井下原岩应力的一半，见表1 。 图3 压裂试件及系统 F i g ．3F I ’a c t u r i n gs p e c i m e na n ds y s t e m 表1 应力加载方案 T a b l e1S t r e s sl o a d i n gs c h e m eM P a 随着试件三向加载应力的变化，各测点应变值呈 现出明显的响应关系。在应力加载阶段，压力和应变 逐渐增大到最大值，在水力压裂过程中应力与应变均 有较大变化，而后随应力的卸载，各测点的应变逐渐 减小，最后基本恢复至加载前的应变状态 图4 a 。在应力加卸载过程中，应变与应力呈近 似线性关系，模型试件内部以弹性变形为主| 25 } 。 时间／s 一6 0 墨屯。 管堋。 一2 4 0 3 0 0 b 裂缝扩展形态 一0 ．5 一1 ．5 一 气山 ⋯茎 一3 ．5 R 翻 - 45 5 ．5 6 ．5 图4 压裂过程应力应变曲线及裂缝扩展 F i g ．4 S t r e s s s t r a i n } H IV E Sa n dc r a c kp r o p a g a t i o n 裂缝扩展形态如图4 b 所示，裂缝起裂时沿割 缝方向起裂，扩展一段距离后即转向沿最大水平主应 力方向，并在遇到层理弱面时进入层理弱面扩展，最 终穿过层理面。可见层理裂缝面的赋存对裂缝的扩 展有一定的影响，但裂缝的最终扩展方向与试件三轴 应力分布相关。2 ”，天然裂隙的赋存一定程度上利于 水力裂缝在岩层内部形成区域性的裂缝网络。实验 室真三轴试验获得的水力压裂裂缝扩展规律，为地面 压裂设计提供了技术支撑。 2 ．2 地面压裂层位选取 地面压裂层位的合理选取是地面压裂坚硬顶板 控制矿压成功与否的关键。对于压裂目标层的选取 原则是考虑破断释放能量最大、矿压作用最强烈的坚 硬岩层。现场原位实测是准确反映覆岩矿压作用最 直接可靠的方法，以大同矿区同忻煤矿8 2 0 3 工作面 为背景开展现场实测。 8 2 0 3 工作面长2 0 0m ，煤层厚度1 9m ，埋深 4 0 0 ～5 0 0n ，，覆岩赋存多层坚硬砂岩。在工作面中 部位置布置监测钻孑L ，基于关键层理论及工作面地 质赋存情况，在钻孔内布置4 个岩移测点，1 ～3 号 测点分别布置于覆岩3 个关键层内，4 号测点布置 于关键层3 上覆岩层内，各测点深度分别为l 号测 点- 4 5 2n ，2 号测点一4 2 3m ，3 号测点一3 7 0n l ，4 号 测点一3 3 1m ，各关键层厚度自下而上分别为1 2 ．0 ， 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 9 ．8 ，2 3 ．0m ，岩移测点通过采用爪式结构与各关键 层进行固定，保持运动同步，实时记录岩移数据；同 时，记录工作面支架工作阻力，并与岩层移动监测 数据进行对比，监测工作面上覆各岩层破断失稳的 矿压作用特征。覆岩测点布置示意及监测期间工 作面来压特征如图5 所示。 量 暑 d Ⅲl 】 蹬 删 { 佃 删 a 监测系统示意 仪 ∞ 山 兰 R 窖 世 - 梨 划 I 驯f 月1 1 fb 覆岩位移支架来J K 对应曲线 图5覆岩位移一支架来压一体化监测 F i g ．5I n t e g r a t e dm o n i t o r i n go fo v e r b t , r d e nd i s p l a c e m e n ta n d s u p p o r tr e s i s t a n c e 监测结果表明，低位距煤层2 2 ，5 1m 的关键层 l 、关键层2 破断失稳，工作面支架阻力随之升高，动 载系数分别为1 ．1 5 ，1 ．3 4 ，来压持续时间为7 ，1 6h ， 工作面无明显强矿压显现特征。距煤层1 0 4m 厚 2 3m 的关键层3 破断时，上覆随动层中测点4 发生 同步运动，工作面3 5 ～9 5 号支架被压死，支架动载系 数达1 ．5 4 ，此时工作面来压持续时间最久，达4 3h ， 如图5 b 所示，关键层3 距煤层距离与煤层厚度的 比值为5 ．4 7 。 为进一步分析覆岩矿压作用强烈的层位范围，基 于实验室试验结合数值计算的研究方法，以塔山煤矿 一盘区钻孑L 柱状为依据，研究煤层开采后覆岩不同层 位坚硬顶板的破断强度及能量释放特征。煤层上覆 1 5 0m 范围内赋存5 层厚硬砂岩层，自下而上距煤层 距离分别为1 7 ，4 5 ，7 5 ，1 0 7 ，1 4 6m ，厚度9 ．4 4 ，9 ．1 0 ， 1 0 ．1 2 ，1 2 ．2 0 ，1 2 ．9 0n l 。物理模拟得到不同层位坚硬 顶板破断对工作面的冲击强度如图6 a 所示，研究 表明，距离煤层1 0 71 1 q 的厚硬岩层K S 4 破断对采场 矿压作用最为强烈，岩层破断造成直接顶处垂直位移 变化量最大达2 ．3n ，；随关键层距煤层垂直距离增加 及下赋多岩层结构的垫层作用，K S 5 距煤层1 4 6m 破断后采场的强矿压显现明显减弱，直接顶垂直位移 变化量降低至1 ．3H I _ 2 r 。同时，数值计算得到不同 层位坚硬顶板破断的能量释放强度，如图6 b 所示， 随厚硬岩层距煤层距离的增加，岩层破断释放的能量 呈先增加再降低的趋势，距离煤层1 0 0 ～1 5 0m 的坚 硬岩层破断，对采场冲击作用最为强烈。2 卜1 5 。，与物理 相似模拟得到的试验结果一致。 g 皿田】3 漳 毯 斗 略 巨 蝼 删 关键层破断 a 坚硬岩层破断冲击直接顶位移量 目标层距煤层距离／m b 不同层位岩层破断的能量释放 图6 坚硬岩层破断的冲击作用及能量释放 F i g ．6 I m p a c te f f e c ta n de n e r g yr e l e a s eo fh a r dr o e kb r e a k i n g 由此可知，坚硬顶板特厚煤层开采时，因煤层开 采厚度大，导致覆岩运移范围广，低一中一高不同层位 关键层均发生破断失稳，其中高位坚硬顶板破断步距 大，释放能量强度高，其破断失稳连同下赋岩层同步 破断回转，是造成工作面强矿压显现的主要因素。综 合现场实测和模拟研究发现，2 0m 特厚煤层开采，距 煤层距离1 0 0 ～1 5 0r n 的厚硬岩层对工作面影响最严 重 即距煤层距离与煤层厚度比在5 ．0 ～7 ．5 ，是地 面压裂层位选取的合理范围。 2 ．3 压裂井布置方式及位置确定 地面压裂可以采用水平井和垂直井压裂2 种方 式，其中水平井主要由垂直段、造斜段和水平段3 部 分构成。水平井压裂时，依据与工作面开采方位的空 间位置关系，可分为水平段平行工作面推进方向、垂 万方数据 第3 期 于斌等大空间坚硬顶板地面压裂技术与应用 8 0 5 直工作面推进方向及斜交工作面推进方向3 种情况， 布置灵活，可适应不同条件的压裂需求。 垂直井压裂时，受岩层三向应力分布的影响更 大，尤其受采动应力影响后，裂缝扩展规律更加复杂。 煤层开采后上覆岩层原岩应力状态发生改变，同时伴 有裂隙的萌生和发育，所以对于地面压裂位置的选 取，以避开应力超前扰动及裂隙发育的区域为原则。 具体计算时，依据工程地质条件建立数值模型，分析 工作面采位、压裂目标层层位及水平垂直应力条件下 应力超前影响范围；结合超前裂隙发育区域，综合确 定压裂位置距离工作面的最小水平距离D ，如图7 所 示。 图7 米动影响的地面压裂位置选取 F i g ．7 S e l e c t i o no fg r o u n df r a c t u r i n gp o s i t i o n 以塔山8 1 0 1 工作面为例，模拟得到距离D 与各 影响因素的回归模型o2 5 ] ，其回归拟合度达0 ．9 8 D 3 3 ．6 3 2 1 n ￡一2 1 3 ．0 7 4 1 nZ 8 8 1 ．5 5 4 P 。27 0 6 8 9 9 ．3 2 6 1 式中，D 为压裂区域距工作面最小距离，m ；L 为工作 面开采距离，i n ；Z 为目标层距煤层距离，m ；P 为岩层 初始水平垂直应力差，M P a 。 由此，对于地面压裂位置的选取，总结以下2 条 原则’”1 1 工作面未开采时，高位坚硬岩层未受采动 影响，此时地面压裂位置的选取综合坚硬岩层初次 破断步距、周期破断步距以及岩层所处三向应力状 态进行确定，以减小岩层初次破断、周期破断强度 为原则； 2 工作面开采后，受采动影响高位坚硬岩层三 向应力状态随之改变，此时地面压裂位置的选取首先 需避开采动影响范围，具体根据式 1 进行计算，在 此基础上，结合岩层的破断步距以及预期需实现的压 裂效果，综合考虑进行确定。 2 ．4 地面压裂参数选取 地面压裂参数设计是压裂成功的保障，而压裂面 积、流量及时问是压裂设计的关键技术参数。对于压 裂参数的选取，需确定压裂岩层地应力场分布及压裂 要求裂缝的扩展范围。首先，数值模拟反演分析压裂 层位原岩应力场分布特征，根据压裂钻井与工作面的 位置关系及岩层地应力场预判水压裂缝扩展方位；其 次，基于压裂需求确定水压裂缝扩展分布区域，为使 地面压裂后矿压控制效果达到最大，水压裂缝扩展区 域在煤层平面投影的范围应覆盖工作面区域。基于 水力压裂模型对压裂参数优化研究，建立压裂面积一 流量一时间的关系模型，得到压裂面积随压裂时间、 流量的变化关系，科学指导压裂参数的选取。 以塔山煤矿8 1 0 1 工作面地面压裂工程试验为案 例，对地面压裂参数的设计进行说明。8 1 0 1 工作面 长2 3 0I n ，综合压裂需求和地表压裂选址条件，确定 压裂井位置距工作面一侧巷道1 3 5I T I ，另一侧9 5m ， 经分析，地面压裂要求水压裂缝的扩展长度为 2 4 5m ，扩展宽度为1 3 0 ．6m ，分布面积为2 51 3 0m 2 ， 如图8 a 所示。基于水力压裂模型得到压裂过程压 裂流量一面积一时问的变化关系，如图8 b 所示，最 终确定地面水力压裂流量为4 ～7n l ’／m i n ，压裂时长 为8 0 ～9 0r a i n 。 { 稚翠集觏； a 设计水压裂缝扩展方位与分布【爱域 ●●■●● 1 0 m i n2 0 r a i n3 0 m ●■●● 5 0 m i n6 0 r a i n ●- ■， 7 0 m i n8 0 m i n b 水压裂缝扩腱过程模拟 图8 模拟裂缝扩展区域及扩展过程 F i g ．8 C r a c kp r o p a g a t i o na r e aa n dp r o p a g a t i o np r o c e s s 2 ．5 地面压裂裂缝扩展监控 地面压裂裂缝的实时扩展监测有利于伺服调控 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 地面压裂流量，掌控压裂时间和裂缝扩展范围，因此 是地面压裂成功实施的关键保障。地面压裂裂缝的 扩展主要采用井上下微震联合监测的方法，其工作原 理主要利用压裂时产生的微地震，采用监测系统对地 震波进行实时捕捉，根据地震波速度结构、破裂定位 与破裂能量分布，数据处理后形成微地震三维影 像。” ”‘2 引，如图9 所示。现场具体采用检波器进行 监测，其定位必须用高精度G P S 准确定位 G P S 精度 不大于1 ．0I l q ，地面检波器的埋置深度不小于 1 0c m ，围绕压裂井压裂段垂直放置，井下检波器置于 巷道钻孔中。震源定位过程采用矩阵分析理论，来判 别微地震震源坐
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