曹懷軒，謝華東，楊 歡，王富剛，閆憲洋，張 儉

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司 東灘煤礦，山東 濟寧 272000；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221000)

近年來，隨著煤炭開采深度的增加，礦震發(fā)生的頻次及形成的災(zāi)害急劇上升，嚴重制約礦井的安全生產(chǎn)[1]。礦震是一種極為復(fù)雜的動力失穩(wěn)現(xiàn)象，礦震的發(fā)生會引起介質(zhì)震動，可能造成采掘空間周圍巖體破裂、滑移和突然卸壓。山東省是礦震多發(fā)地區(qū)之一，東灘煤礦自2001年6月發(fā)生沖擊地壓事故以來，已多次發(fā)生礦震事件，是兗州煤業(yè)股份有限公司動力災(zāi)害最嚴重的礦井之一[2]。國內(nèi)外學(xué)者對礦震發(fā)生機理進行大量研究，基本認為礦震的發(fā)生與上覆堅硬頂板的破斷有密切關(guān)系[3]。Alan A.Capmoli等提出堅硬的巖層是誘發(fā)沖擊地壓的不利地質(zhì)因素。徐學(xué)鋒、魏東[4]等判斷主、亞關(guān)鍵層并分析其破斷形態(tài)，得出礦震發(fā)生主要受低位亞關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)滑移失穩(wěn)、高位亞關(guān)鍵層剪切滑移失穩(wěn)及主關(guān)鍵層極限破斷失穩(wěn)影響；姜福興等[5，6]研究了厚硬巖層關(guān)鍵巖塊的結(jié)構(gòu)形態(tài)對礦震發(fā)生的影響；竇林名等[3，7-9]認為煤巖沖擊與堅硬巖層破斷動載關(guān)系密切。國內(nèi)外學(xué)者對礦震災(zāi)害的防控技術(shù)手段主要為：優(yōu)化總體開采設(shè)計[10，11]，選擇合理開拓布置及開采方式、頂板爆破、注水軟化等[12-14]，局部鉆孔卸壓、爆破卸壓等[16，17]?，F(xiàn)有研究理論及治理方法在工程實踐中均取得較好效果，但對于弱化下位關(guān)鍵層治理礦震方面研究較少，相關(guān)實踐應(yīng)進一步豐富。

東灘煤礦3上煤賦存于山西組，煤層頂板以粉～細砂巖為主，上覆山西組、石盒子組存在巨厚砂巖層，礦震的發(fā)生與巨厚硬巖的活動密切相關(guān)。本文以該礦63上03工作面為工程背景，以地層分布為基礎(chǔ)，研究礦震特征，分析礦震發(fā)生機理，探討定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)弱化關(guān)鍵巖層治理礦震災(zāi)害，并對治理效果進行監(jiān)測分析，以期為類似條件工程提供借鑒參考。

1 礦井概況

1.1 地質(zhì)概況

東灘煤礦位于山東省鄒城市兗州煤田東部，在地質(zhì)構(gòu)造上位于兗州向斜的核部和深部。3上煤層賦存于山西組，是礦井主采煤層。煤層頂板以粉～細砂巖為主，上覆存在巨厚砂巖層，抗壓強度達到70～130MPa，煤層回采過程中不易垮落，易發(fā)生礦震動力災(zāi)害。

研究區(qū)域選取礦井六采區(qū)63上03工作面，六采區(qū)位于東灘井田南翼，東西長約3.4km，南北寬約1.8～2.8km，面積約6.9km2。63上03工作面南側(cè)63上04工作面、63上05工作面已采，北鄰63上02工作面未采。鉆孔柱狀如圖1所示，巨厚砂巖層賦存較多。3上煤內(nèi)生裂隙發(fā)育，參差狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu)。3上煤層厚度4.90～6.80m，平均5.20m。

圖1 鉆孔柱狀圖

1.2 礦震特征

以往開采揭示，礦震致災(zāi)能力閾值為5×103J，礦震能量大于5×103J時，存在危險性；當能量小于5×103J時，為對安全生產(chǎn)無影響的礦震，即常規(guī)礦震。63上05工作面為已采工作面，63上05工作面回采期間，致災(zāi)礦震事件55次，占震動總次數(shù)的0.7%。63上05工作面致災(zāi)礦震事件發(fā)生間距如圖2所示。

圖2 礦震事件垂向分布

由圖2可知，致災(zāi)礦震事件發(fā)生間距基本在30m之內(nèi)，平均值19.8m，根據(jù)工作面回采數(shù)據(jù)可知，周期來壓平圴步距20.2m，礦震事件發(fā)生與周期來壓呈現(xiàn)協(xié)同發(fā)生的規(guī)律。

2 礦震防治技術(shù)原理

礦震的發(fā)生是上覆巖層受工作面采動影響，產(chǎn)生運動并伴隨能量釋放的過程。煤層上方有多層厚硬砂巖，如圖3所示。分析關(guān)鍵層誘發(fā)礦震機理，假設(shè)有第1、第2、第i關(guān)鍵層，煤層距關(guān)鍵層的距離依次為h1、h2、…、hi，距離地表的距離為H，圖中的Ei(i=1，2，…，n)代表第i關(guān)鍵層一次斷裂釋放的能量。隨著工作面的推進，上覆巖層開始懸露、斷裂。從能量的角度來說，礦震的孕育是能量緩慢積累和突然釋放的過程，隨著工作面的推進，關(guān)鍵層開始彎曲，積累能量直至能量積累達到極限，關(guān)鍵層破斷，能量釋放[3，5]。

圖3 關(guān)鍵層斷裂誘發(fā)礦震模型

以往研究表明，周期來壓步距為關(guān)鍵層破斷規(guī)律展示，前文所述礦震發(fā)生間距與周期來壓步距吻合，即受關(guān)鍵層破斷影響，關(guān)鍵層的破斷下沉及高能量瞬間釋放是礦震發(fā)生的主要原因。工程擾動之前，采用分段水力壓裂工程弱化低位關(guān)鍵層，水力壓裂既能破壞砂巖層的完整性，分割成若干塊段或?qū)⑸皫r層分層，改變其力學(xué)性質(zhì)，又能使巖層吸水后強度降低。水力壓裂弱化關(guān)鍵層原理模型如圖4所示。

圖4 水力壓裂弱化關(guān)鍵層原理模型

通過水力壓裂對低位關(guān)鍵層的提前弱化，工作面回采時，低位關(guān)鍵層沿著預(yù)裂縫破斷，破斷塊體體積減小，垮落頻次增加，破斷單次釋放能量減小，達到有效控制礦震災(zāi)害的目的。

3 礦震治理工程

3.1 關(guān)鍵層位置判識

在錢鳴高院士提出的關(guān)鍵層理論的基礎(chǔ)上，國內(nèi)學(xué)者通過大量研究和現(xiàn)場實踐對關(guān)鍵層的判別，提出了大量的力學(xué)公式和判別方法，多為通過各種力學(xué)分析條件分析判識，確定關(guān)鍵層位置。廣泛應(yīng)用的判識方法主要分為以下步驟：

以直接頂巖層為研究的第1層巖層，假設(shè)煤層直接頂上方已有m層巖層存在，假設(shè)第1層巖層為關(guān)鍵層，其所能夠控制的巖層位于上方的第n層，則第n+1層巖層要作為第二關(guān)鍵層基本條件是要滿足關(guān)鍵層判別的剛度條件：

q1|n+1

(1)

式中，q1|n+1為第n+1巖層的巖體撓度；q1|n為第n層巖層的巖體撓度；E為彈性模量，MPa；hi為第i層巖層厚度，m；γ為巖石容重，kg/m3。

式(1)表示第n層巖體的撓度大于第n+1層巖體撓度，由于第n層的變形大于第n+1層的變形，第n+1層及其上部荷載可以由自身結(jié)構(gòu)承擔。此外，n+1層巖層成為關(guān)鍵層還必須滿足強度條件，判別條件如式(3)：

Ln+1>Ln

(3)

式中，Ln為第n層巖層破斷距，m；Ln+1為第n+1層巖層破斷距，m。

綜合關(guān)鍵層剛度和強度判別方法，計算得出東灘煤礦關(guān)鍵層，具體見表1。結(jié)合礦震發(fā)生位置，選取水力壓裂治理層位為亞關(guān)鍵層中粒砂巖層。

表1 東灘煤礦關(guān)鍵層判識

對63上03工作面未治理區(qū)域發(fā)生的礦震位置及能量進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，63上03工作面礦震發(fā)生位置分布在埋深680～740m的巖層中，能量大于5×103J的礦震主要集中在埋深690～740m巖層，結(jié)合鉆孔柱狀可知，礦震發(fā)生位置基本在距離頂板15.13m、厚度為33.8m的中粒砂巖層中，該層位為礦震致災(zāi)的源頭層位。

圖5 63上03工作面礦震位置及能量

3.2 弱化低位關(guān)鍵層治理礦震災(zāi)害

依據(jù)礦震發(fā)生位置及弱化低位關(guān)鍵層治理礦震機理，根據(jù)判別的關(guān)鍵層位，在東灘煤礦63上03工作面距離頂板15.13m的中粒砂巖層中，實施定向長鉆孔分段水力壓裂工程治理礦震。該技術(shù)依托超深鉆孔定向功能，將壓裂工具串送入指定位置后，通過雙封隔器單卡壓裂目標層位段，當壓力大于巖層破裂壓力后，巖層的彈性余能以動能形式釋放，逐段完成壓裂施工，使巖體形成有效連續(xù)性巖層裂縫，如圖6所示。

圖6 分段水力壓裂工藝

水力壓裂施工參數(shù)見表2。水力壓裂過程中，巖層產(chǎn)生有效裂縫時出現(xiàn)明顯壓降。由表2可知，水力壓裂施工過程中，每個壓裂段最大壓力超過了巖石拉伸破壞極限，在壓裂過程中均出現(xiàn)多次壓降，巖層產(chǎn)生較多裂縫。分段壓裂工藝使得巖層形成連續(xù)裂縫，有效弱化了巖層強度，降低了巖層聚集能量的能力。

表2 水力壓裂施工統(tǒng)計

4 礦震治理效果分析

通過對壓裂前后治理工作面回采過程中礦震事件發(fā)生特征進行對比分析，有效展示壓裂治理效果。壓裂前后微震事件發(fā)生次數(shù)如圖7所示，通過對比可知，工作面回采進入壓裂區(qū)域后，礦震日發(fā)生頻次明顯增高，平均值由4.27次增加至6.95次，增加62.7%，水力壓裂超前弱化關(guān)鍵層有效影響了礦震事件發(fā)生頻次。

圖7 壓裂前后微震事件發(fā)生次數(shù)

1)常規(guī)礦震事件。壓裂前后能量小于5×103J的常規(guī)礦震事件發(fā)生次數(shù)如圖8所示，壓裂施工后，明顯提高了常規(guī)礦震事件的發(fā)生次數(shù)，壓裂前平均每天發(fā)生3.8次，壓裂后平均每天發(fā)生6.86次，每天平均提高了80.5%。

圖8 壓裂前后能量小于5×103J微震事件發(fā)生次數(shù)

2)致災(zāi)礦震事件。統(tǒng)計能量大于5×103J的致災(zāi)礦震次數(shù)為134次，未壓裂區(qū)發(fā)生129次，壓裂區(qū)發(fā)生5次，礦震事件發(fā)生次數(shù)如圖9所示。未壓裂區(qū)發(fā)生震級大于10.03次，下降95.45%。

圖9 能量大于5×103J礦震事件發(fā)生次數(shù)

通過對比分析礦震事件在壓裂前后數(shù)據(jù)可知，水力壓裂弱化關(guān)鍵層使常規(guī)礦震事件發(fā)生頻次增多，但致災(zāi)礦震事件頻次大幅減小，表明水力壓裂過程形成的連續(xù)裂縫及對巖層的軟作用使得關(guān)鍵層聚集的高能量分散釋放，形成小震級、多頻次的震動特征，63上03工作面已順利通過治理區(qū)域。

5 結(jié) 論

1)基于周期來壓特征，結(jié)合微震能量統(tǒng)計分析，揭示了礦震動力災(zāi)害發(fā)生特征，其發(fā)生具有周期性，并與周期來壓呈現(xiàn)協(xié)同發(fā)生的特征，發(fā)生位置集中在頂板15.13m位置厚度為33.8m的中砂巖層中。

2)依據(jù)礦震發(fā)生特征，提出了礦震防治技術(shù)原理。關(guān)鍵層強度大，不易垮落，回采時形成破斷步距大、聚集能力高的特征，易誘發(fā)礦震災(zāi)害。通過水力壓裂弱化中粒砂巖亞關(guān)鍵層，減小破斷步距，降低能量聚集能力，超前防治礦震災(zāi)害。

3)壓裂治理后，常規(guī)礦震事件發(fā)生次數(shù)明顯提高，日平均次數(shù)升高了80.5%；致災(zāi)礦震事件日平均發(fā)生次數(shù)下降了95.45%，礦震治理技術(shù)使得關(guān)鍵層聚集的高能量分散釋放，形成小能量、多頻次的震動特征，63上03工作面已安全通過治理區(qū)域。