深部厚硬巖層壓裂控制沖擊弱化機(jī)理及可壓裂性評(píng)價(jià)

王元杰，徐 剛，陳法兵，路洋波，李 巖，孫學(xué)波，劉 寧

( 1. 中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；2. 煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013；3. 天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；4. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116 )

神東煤田是我國(guó)已探明儲(chǔ)量最大的整裝煤田，屬世界八大煤田之一。隸屬于神東基地的東勝煤田位于內(nèi)蒙古伊克昭盟境內(nèi)，其中新街礦區(qū)、納林希里礦區(qū)、呼吉爾特礦區(qū)、納林河礦區(qū)、上海廟礦區(qū)等開(kāi)采深度均超過(guò)600 m，有的甚至達(dá)1 000 m。其中，鄂爾多斯深部礦區(qū)開(kāi)采煤層普遍存在上覆巖層頂板厚度大、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，且上覆巖層都為砂巖類(lèi)，整體性好。

厚硬頂板的存在極易導(dǎo)致工作面開(kāi)采后上覆巖層的斷裂和垮落滯后，上覆巖層的斷裂具有破斷步距大、影響范圍廣、礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、動(dòng)載現(xiàn)象嚴(yán)重等特點(diǎn)[1-8]。同時(shí)，煤層開(kāi)采厚度越大，堅(jiān)硬覆巖運(yùn)移破斷越復(fù)雜，采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)越強(qiáng)烈，造成大空間范圍內(nèi)覆巖破斷的難以預(yù)測(cè)和有效控制，為煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)重大隱患[9-15]。因此，對(duì)深部厚硬頂板的控制提出了更高的要求。針對(duì)深井巨厚硬巖動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生，兗州礦區(qū)東灘煤礦實(shí)施了地面垂直井壓裂防控技術(shù)，陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)公司孟村煤礦實(shí)施了地面水平井壓裂防控技術(shù)，通過(guò)對(duì)煤層上覆的硬厚巖層實(shí)施大范圍水力預(yù)裂，促使其在開(kāi)采期間有序垮落，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)預(yù)定地層的全厚壓裂，降低了開(kāi)采期間動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。

以東勝煤田紅慶河煤礦厚硬頂板特厚煤層開(kāi)采為例。該礦煤層厚度為6 m，工作面采煤方法為一次采全高，覆巖破壞高度范圍達(dá)200 m以上。由于工作面上覆多層厚硬巖層的破斷失穩(wěn)造成采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，嚴(yán)重影響了該礦的安全生產(chǎn)。為此筆者團(tuán)隊(duì)提出采用地面壓裂裝備對(duì)煤層上覆主控巖層實(shí)施水平井壓裂技術(shù)控制礦壓。主控巖層的可壓裂性評(píng)價(jià)對(duì)于預(yù)測(cè)壓裂控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義，筆者應(yīng)用材料力學(xué)分析了深部厚硬巖層壓裂控制弱化機(jī)理，并從巖層脆性指數(shù)、脆性礦物含量和黏土礦物含量、鏡質(zhì)體反射率等方面綜合分析了控制巖層的可壓裂性。該研究可為類(lèi)似厚硬巖層壓裂控制技術(shù)的可行性分析提供可參考的理論方法。

1 工程背景

1.1 工作面概況

東勝煤田紅慶河煤礦現(xiàn)主采3-1煤層，該煤層平均賦存深度為718.6 m，平均厚度為6.23 m，平均可采厚度為6.14 m，煤層傾角為1°～3°，為近水平煤層。該礦1采區(qū)3-1103綜采工作面位于3-1煤南翼，為該采區(qū)第2個(gè)工作面，工作面長(zhǎng)度210.95 m，走向長(zhǎng)度2 479 m。3-1103工作面東南與尚未開(kāi)采的3-1105工作面實(shí)體煤相鄰，兩者之間有40 m寬的雙煤柱；西北與3-1101工作面采空區(qū)相鄰，兩者之間有2個(gè)30 m寬的雙煤柱。3-1103工作面輔助運(yùn)輸巷北部為3-1101工作面采空區(qū)；3-1103工作面東部為采區(qū)輔助運(yùn)輸巷；開(kāi)切眼西部為實(shí)體煤柱。3-1105工作面膠帶運(yùn)輸巷南部、西部為實(shí)體煤，東部為采區(qū)輔助運(yùn)輸巷，北部為與3-1103工作面的隔離煤柱。3-1103與3-1105工作面相對(duì)位置如圖1所示。

圖1 3-1103與3-1105工作面相對(duì)位置Fig. 1 Relative position map of the working face

根據(jù)3-1103與3-1105工作面中間區(qū)域的鉆孔( 19-11～19-15 )顯示，該區(qū)域3-1煤層頂板多數(shù)為砂巖類(lèi)，且?guī)r層厚度多數(shù)大于25 m，如圖2所示。沿走向方向該區(qū)域上分層巖層厚度變化范圍為200～260 m，整體性好，分層數(shù)較少，以細(xì)粒砂巖為主；中層巖層厚度變化范圍為170～240 m，整體性好，分層數(shù)較少，以細(xì)粒砂巖為主；下分層巖層厚度平均30～68 m，距離煤層較近，位于裂隙帶范圍內(nèi)，對(duì)工作面沖擊地壓的影響最為顯著。3-1103工作面開(kāi)采期間，輔助運(yùn)輸巷多次發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，導(dǎo)致該巷道變形量較大而無(wú)法使用，因而重新掘進(jìn)了輔助運(yùn)輸巷。工作面上覆厚硬巖層的存在，導(dǎo)致工作面開(kāi)采后上覆巖層斷裂和垮落滯后，進(jìn)而地表沉降滯后，下沉量較小，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，動(dòng)載現(xiàn)象嚴(yán)重，造成沖擊地壓時(shí)常發(fā)生。

圖2 控制區(qū)域走向覆巖分層情況Fig. 2 Distribution of rock layer in directional direction

紅慶河煤礦為了減弱3-1103工作面厚硬巖層對(duì)工作面開(kāi)采期間強(qiáng)礦壓現(xiàn)象的影響，該礦主要采用了井下水力壓裂防控技術(shù)對(duì)厚硬巖層進(jìn)行預(yù)裂弱化。由于受井下壓裂設(shè)備、技術(shù)及施工條件的限制，施工期間鉆進(jìn)、壓裂均較困難，同時(shí)井下壓裂后控制范圍小，無(wú)法對(duì)高位厚硬巖層實(shí)現(xiàn)全區(qū)域、全厚度預(yù)破裂。為此筆者團(tuán)隊(duì)提出在3-1105工作面上覆地表采用地面水平井壓裂技術(shù)控制該工作面強(qiáng)礦壓的方法，通過(guò)對(duì)深部厚硬巖層實(shí)施水平井壓裂，增加人工增透裂縫，對(duì)整個(gè)開(kāi)采工作面巖體強(qiáng)度進(jìn)行弱化，進(jìn)而降低巖層的整體性和破斷強(qiáng)度。

1.2 覆巖主控巖層分析

研究表明，頂板活動(dòng)，特別是煤層上覆堅(jiān)硬、厚層頂板的活動(dòng)是影響沖擊地壓的主要因素之一。由于堅(jiān)硬厚層頂板容易積聚大量的彈性能[16-17]，在堅(jiān)硬頂板破斷或滑移過(guò)程中，大量彈性能突然釋放形成強(qiáng)烈震動(dòng)，從而導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。

根據(jù)紅慶河煤礦巖層賦存結(jié)構(gòu)，以19-13鉆孔為例對(duì)煤層上覆巖層中關(guān)于頂板控制的主控巖層 進(jìn)行分析。表1為19-13鉆孔巖層特性參數(shù)。

表1 鉆孔巖層特性參數(shù)Table 1 Parameter of rock formation characteristics

根據(jù)關(guān)鍵層的定義與變形特征[18]，在關(guān)鍵層變形過(guò)程中，其所控制的上覆巖層與其同步變形，而其下部巖層不與之協(xié)調(diào)變形，因而關(guān)鍵層所承受的載荷無(wú)需其下部巖層來(lái)承擔(dān)，第1層巖層為第1層關(guān)鍵層，其控制范圍達(dá)第n層，則第n+1層成為第2層關(guān)鍵層，則必然滿(mǎn)足

式中，qn+1，nq分別為計(jì)算到第n+1層與n層時(shí)，第1層關(guān)鍵層所受載荷。其中

式中，E為彈性模量，GPa；h為巖層厚度，m；γ為巖層的體積力，kN/m3。

當(dāng)巖層在該處的最大拉應(yīng)力σ達(dá)到該處的抗拉強(qiáng)度極限RT，巖層將在該處發(fā)生拉裂破壞，得到厚硬巖層的極限跨距為

按兩端固支梁通過(guò)式( 3 )分別計(jì)算第4，14，19層的破斷距。第4，14，19層巖層的初次破斷步距分別為47.0，80.0，84.0 m。

根據(jù)上述分析，堅(jiān)硬巖層第14層和第19層破斷距較大，但由于離工作面較遠(yuǎn)，為遠(yuǎn)場(chǎng)堅(jiān)硬巖層，對(duì)工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)影響程度較弱。堅(jiān)硬巖層第4層離工作面僅為16 m，屬于工作面近場(chǎng)堅(jiān)硬巖層。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，近場(chǎng)堅(jiān)硬巖層破斷后的能量都將作用于下伏巖層的再失穩(wěn)，并作用于工作面支架及周?chē)簬r體，引發(fā)工作面沖擊地壓的發(fā)生。因此，通過(guò)分析判斷得出第4層為3-1煤層采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的主控巖層，且處于裂隙帶范圍內(nèi)，對(duì)上覆巖層的移動(dòng)變形起主要控制作用，即第4層為地面壓裂的主要層位，水平井應(yīng)布置在該層位中間偏下位置。

2 厚硬巖層壓裂控制沖擊弱化機(jī)理

研究表明[19]，地面水平井壓裂后裂縫的擴(kuò)展形態(tài)與巖層所處三向應(yīng)力狀態(tài)及壓裂井布置形式密切相關(guān)。因此，采用地面水平井壓裂后，在不同應(yīng)力條件下，巖層內(nèi)的壓裂裂縫面分布形態(tài)主要有2種情況：① 壓裂后產(chǎn)生水平裂縫面，將完整巖層分為2層或若干層，降低厚硬巖層的有效厚度；② 壓裂后在厚硬巖層內(nèi)形成垂直裂縫面，將完整巖層劃分為2段或多段，如圖3所示。

圖3 壓裂后厚硬巖層內(nèi)不同裂縫面的賦存狀態(tài)[19]Fig. 3 Different deposit status of thick hard rock layer after ground fracturing[19]

2.1 厚硬巖層水平分層對(duì)破斷的影響

假設(shè)厚硬巖層的高度為h，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，其承受的均布載荷為0q。將巖層簡(jiǎn)化為兩端支撐的固定梁，對(duì)于巖層的初次破斷，根據(jù)材料力學(xué)中固定梁的計(jì)算公式，最大彎矩發(fā)生在梁的兩端，其中最大彎矩和該處的最大拉應(yīng)力分別為

將圖3( a )裂縫面進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立如圖4所示的受力示意圖，并假設(shè)水平裂縫面將厚硬巖層劃分為1h，2h兩部分。

圖4 厚硬巖層水平裂縫面分層Fig. 4 Strayer diagram of horizontal crack surface of thick hard rock layer

假設(shè)下分層1h巖層獨(dú)立失穩(wěn)破斷，則其不受上覆巖層載荷影響，所承受的載荷僅為其自重，即

根據(jù)式( 3 )，此時(shí)下分層巖層的破斷步距為

上分層巖層的破斷步距為

由于0＜h1≤h/2，此時(shí)l1＜lmax恒成立，即分層后下分層的破斷步距恒小于完整巖層的破斷步距。

由于0＜h1≤h/2，同樣l2＜lmax恒成立，即上分層的破斷步距同樣始終小于完整巖層的破斷步距。

假定上分層與下分層發(fā)生同步破斷，則需滿(mǎn)足（q2）1≥（q1）1，此時(shí)h/2≤h1＜h。下分層發(fā)生破斷時(shí)，其極限跨距為式( 7 )，由h/2≤h1＜h可知，l1＜lmax成立，即下分層的破斷步距恒小于堅(jiān)硬頂板的破斷步距。上分層的失穩(wěn)破斷要滯后于下分層，同理得到上分層破斷步距l(xiāng)2小于堅(jiān)硬頂板的破斷步距l(xiāng)max。因此，即使上下分層同步發(fā)生破斷，巖層的破斷步距同樣減小，破斷能量的釋放強(qiáng)度降低，有助于緩解厚硬巖層破斷失穩(wěn)能量釋放的強(qiáng)度。

上述分析表明，壓裂后厚硬巖層發(fā)生分層破斷，各分層的破斷步距始終小于壓裂前完整巖層的破斷步距；同樣，由于分層后各分層的厚度降低，巖層破斷強(qiáng)度及釋放能量將隨之大幅降低。

2.2 厚硬巖層垂直分層對(duì)破斷的影響

將圖3( b )裂縫面進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立如圖5所示受力示意圖，垂直裂縫面將厚硬巖層分為A，B兩塊，塊體長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1，L2，其中L=L1+L2。此時(shí)厚硬巖層受力狀態(tài)不再類(lèi)似于兩端固定狀態(tài)，A，B塊體受力類(lèi)似為鉸接巖塊，隨著受力狀態(tài)的變化，巖塊容易發(fā)生滑落失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖5 厚硬巖層垂直裂縫面分段Fig. 5 Section drawing of vertical crack surface of thick hard rock layer

以塊體A為例進(jìn)行受力分析，如圖6所示，可以看出塊體在垂直方向上受到包括其自重在內(nèi)的均布載荷q0、端部支承力 AR以及塊體B對(duì)塊體A的摩擦力AF，在水平方向上受到塊體B對(duì)塊體A的水平推力AT。

圖6 塊體A受力分析Fig. 6 Force analysis of block A

地面水平井壓裂后，在應(yīng)力作用下，垂直裂縫面附近易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致完整巖體沿垂直裂縫發(fā)生破斷，并減弱塊體A，B間的相互作用力，從而造成塊體A，B兩側(cè)發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此，巖層在產(chǎn)生垂直裂縫面后，更容易沿著垂直裂縫面發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，若垂直裂縫位置在完整巖層初步破斷距的范圍內(nèi)，此時(shí)完整巖層的破斷步距以及巖層破斷失穩(wěn)產(chǎn)生的能量將明顯減弱，有利于減弱厚硬巖層破斷失穩(wěn)對(duì)下伏回采空間的沖擊作用。

綜上所述，采用地面水平井壓裂技術(shù)對(duì)厚硬巖層進(jìn)行壓裂控制，在厚硬巖層中無(wú)論產(chǎn)生水平裂縫面還是垂直裂縫面，均改變了厚硬巖層原有的破斷特征，降低了厚硬巖層的破斷步距和能量釋放強(qiáng)度，有利于減弱厚硬巖層破斷失穩(wěn)對(duì)下伏回采空間的沖擊作用。

3 厚硬巖層可壓裂性

可壓裂性指巖層具有能夠被有效壓裂的能力，不同可壓裂性巖層在水力壓裂過(guò)程中形成不同的裂縫網(wǎng)絡(luò)[20]。頂板及巖層性質(zhì)決定了巖層的可壓裂性，若頂板壓裂性較差，不能形成裂紋或裂紋長(zhǎng)度較小，將起不到防治沖擊地壓的目的。巖層可壓裂性的主要影響因素有巖層脆性、脆性礦物含量、黏土礦物含量、成巖作用等。

3.1 巖層脆性

巖層的脆性系數(shù)是評(píng)價(jià)巖層可壓裂性的重要參數(shù)之一。巖層脆性越高，越容易壓碎，其可壓裂性也越好[21]。楊氏模量和泊松比是表征巖層脆性的主要巖石力學(xué)參數(shù)。其中，楊氏模量反映了巖層被壓裂后保持裂縫的能力，而泊松比反映了巖層在壓力下破裂的能力。巖層的楊氏模量越高，泊松比越低，脆性越強(qiáng)。

巖層脆性大小使用脆性系數(shù)定量表示，計(jì)算公式[22]為

式中，BI 為脆性系數(shù)；YMBI為歸一化楊氏模量；PBBI為歸一化泊松比；Y MSC為靜態(tài)楊氏模量，10 GPa；PRC為靜態(tài)泊松比。

利用煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采研究分院巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的伺服控制加載設(shè)備，對(duì)紅慶河煤礦不同深度巖層進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)定其楊氏模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)，并將獲得的泊松比、楊氏模量進(jìn)行歸一化計(jì)算得到脆性指數(shù)，測(cè)定及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，不同巖層脆性系數(shù)變化如圖7所示。

圖7 不同巖層脆性系數(shù)變化Fig. 7 Plot of brittle coefficient of different rock layers

表2 巖層楊式模量、泊松比和脆性系數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)Table 2 Data were calculated for the stratum Yang modulus，Poisson ratio and fragility coefficients

續(xù) 表

通過(guò)試驗(yàn)分析可以看出，紅慶河煤礦臨近煤層的頂板巖層脆性系數(shù)一般為45%～67%，相比中國(guó)部分地區(qū)的巖石脆性系數(shù)( 29.0%～65.1% )[20]，該礦頂板巖層的脆性系數(shù)略高，說(shuō)明其有很好的可壓裂性。

3.2 巖層脆性礦物含量和黏土礦物含量

巖層礦物成分的含量決定了巖層的力學(xué)性質(zhì)，是影響巖層基質(zhì)孔隙和微裂隙的發(fā)育程度以及巖層壓裂改造方式等的重要因素[23]。脆性物質(zhì)含量高的巖層脆性較強(qiáng)，容易在壓裂控制作用下形成誘導(dǎo)裂縫。黏土礦物含量越低的巖層脆性越強(qiáng)；黏土含量越高的巖層塑性越強(qiáng)，其吸收能量越多，越難壓裂[24]。

由中國(guó)石油大學(xué)( 北京 )油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)紅慶河煤礦不同深度巖層做X-射線衍射試驗(yàn)，測(cè)試了不同深度巖層的礦物成分，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3，不同巖層黏土礦物、脆性礦物含量變化如圖8所示。其中脆性礦物含量是利用試驗(yàn)結(jié)果中石英、長(zhǎng)石和白云石的含量之和計(jì)算分析所得。

圖8 不同巖層黏土礦物、脆性礦物含量變化Fig. 8 Change diagram of the content of clay minerals and brittle minerals in different rock strata

表3 巖層礦物成分試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Data on mineral composition of rock formation

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到，紅慶河煤礦主控巖層( 頂1 )黏土礦物含量為10.8%～46.5%，平均含量為28.46%；脆性礦物含量為53.6%～69.7%，平均含量為60.82%。因此，主控巖層脆性礦物含量較高，可壓裂性較好。

3.3 成巖作用

巖層在不同的成巖作用階段，其礦物形態(tài)、黏土礦物組成以及孔隙類(lèi)型均有不同，從而使巖層可壓裂性不同。鏡質(zhì)體反射率(oR)是巖層熱成熟度的指標(biāo)，其反映了成巖作用的最大古地溫和巖層的生烴條件，是反映成巖作用最合適的參數(shù)。根據(jù)研究結(jié)果可知，當(dāng) oR＞0.4%時(shí)，巖層達(dá)到過(guò)成熟階段，儲(chǔ)層黏土礦物較穩(wěn)定，裂縫發(fā)育較好，具有較高的可壓裂性[25]。

由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)對(duì)紅慶河煤礦不同深度的巖層進(jìn)行了鏡質(zhì)體反射率試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4，不同巖層鏡質(zhì)體反射率變化如圖9所示。

表4 巖層鏡質(zhì)體反射率試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Experimental data of rock vitrinite reflectance

圖9 不同巖層鏡質(zhì)體反射率變化Fig. 9 Vitrinite of reflectance of different rock layers

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可得，紅慶河煤礦頂板鏡質(zhì)體反射率 oR均大于0.4%，表明其具有較高的可壓裂性。

通過(guò)對(duì)紅慶河煤礦的巖層脆性、脆性礦物含量、黏土礦物含量及成巖作用進(jìn)行綜合分析可得，紅慶河煤礦頂板主控巖層脆性系數(shù)達(dá)67%、黏土礦物含量為28.46%，均為各巖層中數(shù)值較高的一層。另外，主控巖層脆性礦物含量為60.82%，表明該巖層脆性較強(qiáng)，鏡質(zhì)體反射率oR為0.52%，為各巖層中數(shù)值最高的一層。綜上可知，紅慶河煤礦頂板主控巖層的可壓裂性較高。

4 結(jié) 論

( 1 ) 通過(guò)理論分析可知，在厚硬巖層中產(chǎn)生的水平裂縫面和垂直裂縫面均改變了厚硬巖層的破斷特征，降低了厚硬巖層的破斷步距和能量釋放強(qiáng)度，有利于減弱厚硬巖層破斷失穩(wěn)對(duì)下伏回采空間的沖擊作用。

( 2 ) 通過(guò)分析巖層脆性、脆性礦物含量、黏土礦物含量和成巖作用等參數(shù)，可對(duì)厚硬巖層的可壓裂性進(jìn)行綜合定量評(píng)價(jià)。

( 3 ) 紅慶河煤礦頂板主控巖層脆性系數(shù)為67%、黏土礦物含量為28.46%，脆性礦物含量為60.82%，鏡質(zhì)體反射率 oR為0.52%，表明紅慶河煤礦主控巖層脆性較強(qiáng)，可壓裂性較高。

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