常 博，趙志鵬，楊 偉，楊 旭，楊 歡，鄭凱歌，孔令宇

（1.國(guó)家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.國(guó)能新疆寬溝礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831215；3.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730030；4.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

新疆作為我國(guó)重要的能源基地，煤炭資源賦存豐富，部分煤層具有煤層厚、頂板堅(jiān)硬等特點(diǎn)，煤層開采過(guò)程中，極易形成大面積懸頂，懸頂垮落時(shí)，由于空間大，經(jīng)常會(huì)誘發(fā)強(qiáng)礦壓（沖擊）動(dòng)力災(zāi)害[1-3]。

許多專家學(xué)者針對(duì)厚煤層堅(jiān)硬頂板懸頂問(wèn)題展開了大量研究[4-5]。張春牛等[6]研究表明上覆厚硬巖層是工作面應(yīng)力集中的主要因素，且厚度頂板越靠近煤層，應(yīng)力集中系數(shù)越大。張宏偉等[7]分析了大采高厚硬頂板工作面推進(jìn)后易形成“F”型懸頂造成工作面前后超前應(yīng)力峰值和范圍變大。王帥等[8]提出通過(guò)切頂消除上煤層開采后形成的大范圍懸頂結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)下煤層安全開采。陳鋒[9]通過(guò)對(duì)千米深井厚硬頂板水力壓裂實(shí)現(xiàn)厚基本頂分層垮落，有效降低來(lái)壓強(qiáng)度。于斌等[10]提出通過(guò)地面壓裂對(duì)大空間堅(jiān)硬頂板破斷產(chǎn)生的強(qiáng)礦壓現(xiàn)象進(jìn)行治理。趙猛等[11]的研究表明，通過(guò)大直徑鉆孔，爆破頂?shù)装寮懊后w可有效降低深部堅(jiān)硬頂板對(duì)工作面的沖擊風(fēng)險(xiǎn)。張瑾[12]、韓志遠(yuǎn)[13]提出采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)減小采空區(qū)懸頂范圍。馬冰等[14]提出通過(guò)水力壓裂促使厚硬頂板分層垮落降低工作面來(lái)壓現(xiàn)象。賀斌等[15]以大柳塔煤礦為例，發(fā)現(xiàn)對(duì)懸頂頂板超前預(yù)裂可有效提高頂板裂縫發(fā)育，降低頂板強(qiáng)度，減小來(lái)壓風(fēng)險(xiǎn)。蘇波[16]研究表明對(duì)工作面端頭懸頂壓裂可使支架上方高應(yīng)力向頂板深處轉(zhuǎn)移。

綜上所述，專家學(xué)者們針對(duì)厚硬頂板對(duì)工作面的影響機(jī)理、懸頂處置措施有較多研究，并從多角度分析了水力壓裂對(duì)懸頂問(wèn)題的治理效果。但是對(duì)于新疆部分礦井而言，其煤層較中東部更厚，且頂板更為堅(jiān)硬難以垮落，常規(guī)水力壓裂難以起到效果，因此，本文研究超長(zhǎng)鉆孔定向水力壓裂參數(shù)，通過(guò)在厚硬頂板形成三維裂縫達(dá)到弱化效果，為特厚緩傾斜煤層堅(jiān)硬厚頂板安全高效開采提供參考。

1 地質(zhì)及生產(chǎn)概況

國(guó)能新疆寬溝礦業(yè)有限責(zé)任公司位于新疆昌吉州呼圖壁縣雀爾溝鎮(zhèn)，區(qū)內(nèi)含煤9 層，含煤地層為387.99～595.64 m，平均為476.99 m，煤層總厚度為17.04～63.16 m，平均為34.85 m。其中，全區(qū)或大部可采煤層為7 層，從下到上分別編號(hào)為B0、B1、B2、B3、B4-1、B4-1下、B4-2，煤層及其頂?shù)装逯鶢顖D如圖1（a）所示。

圖1 煤巖柱狀及工作面空間布置圖Fig.1 Layout of coal rock pillar and working face space

目前所采I010206 工作面位于B2煤層中，埋深355～455 m，工作面北側(cè)為I010202 采空區(qū)，區(qū)段煤柱為15 m，南側(cè)為井田邊界，上方為B4-1煤層的I010408 采空區(qū)，層間距50 m，工作面布置如圖1（b）所示。走向長(zhǎng)度1 664 m，傾向長(zhǎng)度85～137.8 m，采用放頂煤開采，采高3.2 m，放煤6.3 m，平均傾角14°。工作面上方2.84 m 為中粒砂巖和細(xì)砂巖的厚組合層，其中，中粒砂巖13.59 m，細(xì)粒砂巖12.51 m，組合巖層單軸抗壓強(qiáng)度115.25 MPa，抗拉強(qiáng)度7.14～8.02 MPa，屬于典型堅(jiān)硬厚頂板。

2 特厚緩斜煤層堅(jiān)硬厚頂板礦壓控制思路

2.1 特厚緩斜煤層堅(jiān)硬厚頂板垮落特征

隨著采煤工作面推進(jìn)頂板不斷垮落，其中特厚緩斜煤層頂板垮落與一般中厚水平煤層相比有以下特征：①工作面采后頂板下方空間大；②下順槽頂板冒落充填高度較上順槽大。中厚水平煤層和特厚緩斜煤層采后頂板形態(tài)如圖2[17]所示。

圖2 工作面采后頂板垮落形態(tài)Fig.2 Shape of roof collapse after mining in the working face

由圖1 可知，工作面上方直接頂厚度僅為2.84 m，基本頂厚度較大且強(qiáng)度較高，因此在工作面后方易形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，為分析頂板懸臂長(zhǎng)度，簡(jiǎn)化頂板結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 頂板懸臂結(jié)構(gòu)力學(xué)模型Fig.3 Mechanics model of roof cantilever structure

根據(jù)材料力學(xué)可知，堅(jiān)硬頂板懸臂結(jié)構(gòu)最大彎矩Mmax計(jì)算見(jiàn)式（1）。

式中：q為堅(jiān)硬頂板自身及其上覆軟弱巖層載荷；L為堅(jiān)硬巖層最大懸臂長(zhǎng)度?？紤]截面模量J，則堅(jiān)硬巖層所承受的最大拉應(yīng)力計(jì)算見(jiàn)式（2）。

式中：H為堅(jiān)硬巖層厚度，當(dāng)其承受的最大拉應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破斷，據(jù)此可以計(jì)算出堅(jiān)硬頂板破斷步距Lmax見(jiàn)式（3）。

由式（3）可知，堅(jiān)硬巖層破斷步距主要與堅(jiān)硬巖層厚度、抗拉強(qiáng)度和堅(jiān)硬巖層自重及其承載層重量有關(guān)。當(dāng)破斷步距較大時(shí)，由于其下方空間大，堅(jiān)硬巖層垮落時(shí)極易形成颶風(fēng)，引起工作面強(qiáng)來(lái)壓從而引發(fā)人員傷亡和設(shè)備損失。

2.2 堅(jiān)硬厚頂板采場(chǎng)礦壓控制思路

堅(jiān)硬厚頂板減小其破斷步距的主要思路為：①降低其自身抗拉強(qiáng)度；②破壞其完整性，使堅(jiān)硬頂板可以分層垮落，減小其有效厚度。采用定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂技術(shù)可同時(shí)滿足上方兩個(gè)要求。根據(jù)煤巖柱狀圖及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件可知，I010206 工作面上方中粒砂巖和細(xì)粒砂巖巖性相似，強(qiáng)度相同，無(wú)明顯分界，為使頂板可以實(shí)現(xiàn)分層垮落，將壓裂層位設(shè)置在兩巖層交界附近，最終確定壓裂層位于距煤層頂板15 m 的位置。結(jié)合特厚緩傾斜煤層采后頂板垮落形態(tài)，應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行上方頂板壓裂。

3 定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂參數(shù)優(yōu)化

3.1 鉆孔起裂壓力

巖層起裂壓力可由式（4）和式（5）計(jì)算。

式中：PF為巖石的起裂壓力；σH、σh分別為最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力；σf為巖層抗拉強(qiáng)度；φ為巖層孔隙度（堅(jiān)硬巖層可取20%～30%）；υ為泊松比。

通過(guò)對(duì)工作面頂板巖層強(qiáng)度測(cè)試和地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可知，頂板抗拉強(qiáng)度為7.14～8.02 MPa，最大主應(yīng)力為12.8～13.9 MPa，最小主應(yīng)力為5.50～7.37 MPa，泊松比為0.24。經(jīng)計(jì)算，起裂壓力需不小于15.75 MPa，因此，鉆孔起裂壓力確定為17 MPa。為更好地確定壓裂參數(shù)，保證壓裂效果，分別采用Comsol 軟件、Abaqus 軟件、FracproPT 軟件對(duì)鉆孔間距、壓裂段間距和注水量進(jìn)行模擬分析。

3.2 鉆孔間距

模型尺寸為200 m×100 m×50 m，在模型中間開孔，鉆孔長(zhǎng)度100 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)頂板實(shí)際情況設(shè)置滲流系數(shù)為1.2×10-8，水動(dòng)力黏度為10-3Pa·s，模擬分析17 MPa 時(shí)壓裂1 h 后的孔隙壓力場(chǎng)分布情況，孔隙壓力場(chǎng)等值面及壓力值如圖4 所示。

圖4 孔隙壓力場(chǎng)等值面及壓力值分布曲線Fig.4 Pore pressure field isosurfaces and pressure value distribution curve

由圖4（a）可知，壓裂孔周圍孔隙水壓力分布基本呈現(xiàn)為一個(gè)橢球體型，且在鉆孔表面達(dá)到孔隙水壓力峰值，孔隙水壓力沿鉆孔軸向變化不大，隨著鉆孔徑向距離的增加，孔隙水壓力迅速衰減，其中，5 m內(nèi)衰減速度最快。

根據(jù)格里菲斯強(qiáng)度理論，裂紋擴(kuò)展的條件是尖端應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度。由圖4（b）可知，孔隙壓力降低至8.02 MPa 和7.14 MPa 時(shí)（巖石抗拉強(qiáng)度）分別距離鉆孔中心25 m 和36 m，因此鉆孔間距選取為50～72 m。

3.3 壓裂段間距

考慮模型邊界效應(yīng)，模型尺寸為135 m×40 m，初始地應(yīng)力為10 MPa，初始孔壓為0，飽和度為1，不同壓裂段間距下的裂縫發(fā)育形態(tài)如圖5 所示。由圖5可知，隨著壓裂段間距的增加，縫間干擾效應(yīng)減弱，壓裂段間距為18 m 時(shí)，兩裂縫相互影響作用造成裂縫出現(xiàn)明顯偏轉(zhuǎn)；當(dāng)間距為30 m 時(shí)，前縫對(duì)后縫的影響不明顯；當(dāng)間距為45 m 時(shí)，后壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)基本不受前縫影響。綜合考慮縫間影響效應(yīng)，同時(shí)避免壓裂不充分出現(xiàn)盲區(qū)，確定壓裂段間距為30 m。

圖5 不同壓裂間距下裂縫發(fā)育形態(tài)Fig.5 Crack development morphology under different fracturing intervals

3.4 注水量

將煤層參數(shù)和初始?jí)毫褏?shù)設(shè)置在FracproPT軟件中模擬得到不同注水量時(shí)裂縫擴(kuò)展距離，模擬結(jié)果經(jīng)處理如圖6 所示。注水量由20 m3增加至35 m3時(shí)，裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度由20.1 m 增加至30.1 m，增加了接近50%。當(dāng)總注水量為80 m3時(shí)，裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度仍為30 m 左右，說(shuō)明總注水量在35 m3以下時(shí)，提高注水量可有效增加裂縫擴(kuò)展距離，注水量超過(guò)35 m3時(shí)，增加的注水量大部分都隨裂縫濾失，裂縫不再擴(kuò)展，因此確定單段注水量為35 m3。綜上分析，確定寬溝煤礦I010206 工作面壓裂施工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 定向水力壓裂參數(shù)Table 1 Parameters of directional hydraulic fracturing

圖6 不同注水量時(shí)裂縫擴(kuò)展距離Fig.6 Crack propagation distance under different water injection rates

4 定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂技術(shù)與工藝

4.1 定向鉆進(jìn)技術(shù)

定向鉆進(jìn)是指根據(jù)目標(biāo)壓裂需求，設(shè)計(jì)鉆孔軸線，并通過(guò)人為控制的造斜工具有目的地改變鉆孔正常鉆進(jìn)軌跡線，使其達(dá)到設(shè)計(jì)需求。常用的定向鉆進(jìn)技術(shù)包括滑動(dòng)定向鉆進(jìn)和復(fù)合定向鉆進(jìn)，其中復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)一方面可使高壓水驅(qū)動(dòng)孔底螺桿馬達(dá)帶動(dòng)帶有彎接頭的鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)造斜，另一方面鉆機(jī)帶動(dòng)鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)并施加向前的壓力，實(shí)現(xiàn)巖石破碎，達(dá)到“邊滑邊鉆”的高效定向鉆進(jìn)。

4.2 定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂工藝

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，選擇采用雙封單卡多點(diǎn)拖動(dòng)管柱分段水力壓裂工藝進(jìn)行施工。其工作原理為雙封隔器內(nèi)具有平衡泄壓通道，可實(shí)現(xiàn)分隔器和壓裂液之間的壓力平衡，實(shí)現(xiàn)“即壓即封、卸壓解封”的目標(biāo)。具體施工壓裂流程如下所述。施工示意如圖7 所示。

圖7 雙封單卡多點(diǎn)拖動(dòng)管柱分段水力壓裂施工圖Fig.7 Segmented hydraulic fracturing construction drawing of double seal single card multipoint drag pipe string

1）進(jìn)行定向鉆孔施工并將壓裂工具送入設(shè)計(jì)位置。

2）采用封隔器單卡壓裂段，注入壓裂液，當(dāng)壓裂液達(dá)到3 MPa 時(shí)實(shí)現(xiàn)封隔器封堵，當(dāng)壓裂液達(dá)到5 MPa 時(shí)限流器開啟，隨著壓裂液注入巖層中，巖層內(nèi)水壓力不斷升高直至破裂產(chǎn)生裂縫。

3）完成第一次壓裂后進(jìn)行排水卸壓，封隔器彈回孔內(nèi)，拖動(dòng)管柱使分隔器達(dá)到第二段壓裂位置，重復(fù)第二步。

4）不斷重復(fù)第二步第三步，直至定向長(zhǎng)鉆孔內(nèi)全部壓裂段施工完成，形成三維立體連續(xù)性巖層裂縫。

4.3 定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂方案

結(jié)合模擬優(yōu)化得到的壓裂參數(shù)，設(shè)計(jì)I010206 工作面堅(jiān)硬厚頂板定向長(zhǎng)鉆水力壓裂方案：設(shè)計(jì)3 個(gè)壓裂鉆孔，其中，1 號(hào)孔水平投影距下順槽15 m，孔長(zhǎng)502 m，壓裂段13 個(gè)；2 號(hào)孔位于工作面中部，孔長(zhǎng)481 m，壓裂段13 個(gè)；3 號(hào)孔距上順槽10 m，孔長(zhǎng)517 m，壓裂段14 個(gè)，總計(jì)鉆孔長(zhǎng)度1 500 m，累計(jì)壓裂段共40 個(gè)，鉆孔設(shè)計(jì)平面圖如圖8 所示。由圖8可知，壓裂時(shí)先壓裂位于上順槽的3 號(hào)孔，其次壓裂1 號(hào)孔，最后壓裂中部的2 號(hào)孔。鉆孔具體施工流程為：1）Φ120 mmPDC 定向鉆頭+Φ89 mm 中心通纜式鉆桿，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)12 m，換用Φ193/127 mmPDC 擴(kuò)孔鉆頭將孔徑擴(kuò)至193 mm，并下入Φ178 mm 孔口管8 m，下入套管后注漿固管；2）Φ120 mmPDC 定向鉆頭+Φ89 mm 五級(jí)孔底馬達(dá)+Φ89 mm 下無(wú)磁鉆桿+Φ89 mm 探管外管+Φ89 mm 上無(wú)磁鉆桿+Φ89 mm 中心通纜式鉆桿，按照設(shè)計(jì)定向鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深（鉆進(jìn)速度為0～0.3 m/min）。

圖8 鉆孔設(shè)計(jì)平面圖Fig.8 Design plan of drilling

5 定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂技術(shù)應(yīng)用效果

5.1 頂板微震事件分析

統(tǒng)計(jì)壓裂前后壓裂層位中粒砂巖及細(xì)粒砂巖發(fā)生微震事件的次數(shù)如圖9 所示。由圖9 可知，工作面回采進(jìn)入壓裂影響區(qū)域后，微震總次數(shù)大幅降低，降幅達(dá)68.92%。中粒砂巖及細(xì)粒砂巖微震次數(shù)均有明顯下降，降幅分別為64.36%、69.50%，微震平均次數(shù)分別降低21.64%、32.90%。中粒砂巖微震次數(shù)占比呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，增幅14.29%，細(xì)粒砂巖微震次數(shù)增幅基本不變。結(jié)果表明，中粒砂巖層通過(guò)水力壓裂弱化治理后，呈現(xiàn)高頻現(xiàn)象。

圖9 中粒砂巖和細(xì)粒砂巖發(fā)生微震事件統(tǒng)計(jì)Fig.9 Statistics of microseismic events in medium and fine grained sandstones

5.2 壓裂效果分析

工作面壓裂區(qū)域和未壓裂區(qū)域支架阻力如圖10所示。由圖10 可知，工作面由未壓裂區(qū)域進(jìn)入壓裂區(qū)域后，上部支架阻力、中部支架阻力、下部支架阻力都有明顯降低，其中，上部支架阻力降低幅度最大，平均阻力由25.73 MPa 降低至24.12 MPa，降幅為6.26%；中部支架平均阻力由26.91 MPa 降至26.04 MPa，降幅為2.86%；下部支架平均阻力由25.36 MPa 降至24.18 MPa，降幅為4.65%。由圖10 還可以看出，壓裂區(qū)域來(lái)壓峰值明顯低于未壓裂區(qū)域，說(shuō)明通過(guò)水力壓裂弱化頂板，基本上可以解決頂板懸頂難以垮落的問(wèn)題，降低了頂板大規(guī)模斷裂造成的強(qiáng)來(lái)壓風(fēng)險(xiǎn)。

圖10 工作面不同位置支架阻力統(tǒng)計(jì)Fig.10 Statistics of support resistance at different positions on working face

6 結(jié)論

1）特厚緩斜煤層采后頂板垮落形態(tài)在傾向上呈現(xiàn)非對(duì)稱分布，因重點(diǎn)注意上方頂板控制。通過(guò)定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂可降低堅(jiān)硬頂板抗拉強(qiáng)度并促使其分層垮落從而減小其來(lái)壓步距。

2）壓裂孔周圍孔隙水壓力分布基本呈現(xiàn)橢球體型，在鉆孔軸向方向壓力值變化不大，沿徑向不斷衰減，孔隙壓力衰減至壓裂巖層強(qiáng)度時(shí)分別距鉆孔中心25 m 和36 m。隨著壓裂段間距增加，縫間互相影響效應(yīng)減弱，注水量增加至35 m3后裂縫不再擴(kuò)展。因此，合理的壓裂參數(shù)為起裂壓力17 MPa，鉆孔間距50～72 m，壓裂段間距30 m，單段注水量為35 m3。

3）在寬溝煤礦I010206 工作面堅(jiān)硬厚頂板中布置三個(gè)超長(zhǎng)鉆孔，總鉆孔長(zhǎng)度1 500 m，壓裂段40 個(gè)，每個(gè)鉆孔采用復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)，配合雙封單卡多點(diǎn)拖動(dòng)管柱分段水力壓裂工藝進(jìn)行壓裂，在厚硬頂板中形成三維立體連續(xù)性巖層裂縫。

4）壓裂后雙層厚硬頂板微震次數(shù)都出現(xiàn)顯著降低，中粒砂巖和細(xì)粒砂巖微震次數(shù)分別降低64.36%、69.50%。同時(shí)對(duì)比分析工作面支架阻力發(fā)現(xiàn)，壓裂后支架平均阻力最大降幅6.26%，同時(shí)來(lái)壓峰值明顯降低，說(shuō)明通過(guò)定向水力壓裂基本上解決了頂板懸頂問(wèn)題，有效降低工作面強(qiáng)礦壓風(fēng)險(xiǎn)。