王方方，田 原，韓寧寧，薛愛民，王 超，謝華東，李小瑞，王正茂

（1.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司，山東 鄒城 273500；2.北京派特森科技股份有限公司，北京 100085）

我國煤層賦存條件比較復(fù)雜，頂板為堅(jiān)硬且難以及時(shí)垮落的煤層約占三分之一，該類頂板通常具有巖石強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大、整體性強(qiáng)、自承能力強(qiáng)等特點(diǎn)。前人研究表明，煤層堅(jiān)硬頂板斷裂與礦震發(fā)生存在關(guān)聯(lián)。朱斯陶等[1]對頂板運(yùn)動(dòng)型礦震及災(zāi)害發(fā)生機(jī)制、預(yù)測和工程分類計(jì)數(shù)進(jìn)行了研究，將頂板運(yùn)動(dòng)型礦震分成了三種運(yùn)動(dòng)模式，并給出了能量預(yù)測模型；高明仕等[2]針對厚硬頂板覆巖破斷釋放沖擊能量影響采場安全性等問題，研究了覆巖沖擊震源層初次破斷和周期破斷產(chǎn)生的沖擊能量大小以及沖擊震動(dòng)波在傳播過程中的能量耗散機(jī)理；王富奇[3]揭示了東灘煤礦礦震類型多為關(guān)鍵層斷裂型礦震和原巖應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力耦合型礦震，并分別研究了兩類礦震的發(fā)生機(jī)理，提出了關(guān)鍵層斷裂型礦震能量的計(jì)算方法。

為了進(jìn)行礦震防治，減弱煤層頂板集中動(dòng)載效應(yīng)，了解水力壓裂過程中產(chǎn)生的裂縫對頂板應(yīng)力場變化的影響，有助于正確評價(jià)誘發(fā)此類礦震關(guān)鍵層的巖石力學(xué)參數(shù)。焦戰(zhàn)等[4]采用擴(kuò)展有限元法模擬了裂縫擴(kuò)展過程，分析了水平應(yīng)力比、抗拉強(qiáng)度、泊松比、間隔時(shí)間、注液速率和裂縫間距對裂縫擴(kuò)展的影響；趙新宇[5]基于斷裂力學(xué)、流固耦合理論，建立了煤層開挖與水利壓裂相耦合的數(shù)值模型，模擬得出了厚硬頂板破斷的礦壓作用規(guī)律，明確了厚硬基本頂?shù)臄嗔咽窃斐擅簩庸ぷ髅鎻?qiáng)礦壓的主要原因；王素玲等[6]利用擴(kuò)展有限元框架下的分離裂縫模型模擬了裂縫在砂、泥巖界面上的擴(kuò)展過程，分析了裂縫穿過界面擴(kuò)展的影響因素，指出了裂縫在非均勻巖層內(nèi)的擴(kuò)展機(jī)理主要是由界面層的不同力學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致。

上述研究內(nèi)容通過理論分析與計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證了水力壓裂技術(shù)在頂板裂隙監(jiān)測中的可行性。在工程實(shí)踐中，主要通過改進(jìn)壓裂工藝、優(yōu)化監(jiān)測壓裂過程所采用的地球物理方法來提升和評價(jià)水力壓裂技術(shù)的實(shí)質(zhì)效果。劉文靜等[7]采用特厚堅(jiān)硬頂板水力壓裂施工工藝為頂板卸壓控制技術(shù)提供了有力支持；門鴻等[8]采用超長鉆孔水力壓裂技術(shù)對煤層上方堅(jiān)硬巖層進(jìn)行壓裂，有效降低了上覆巖層頂板的整體強(qiáng)度，通過高壓水切割的方式，達(dá)到了大面積弱化頂板的目的，證明了該技術(shù)可以有效降低工作面開采過程中煤層上方頂板的沖擊勢能；牛同會(huì)[9]提出了對工作面頂板施工定向水力壓裂措施來弱化堅(jiān)硬頂板巖層，控制其垮落，揭示了分段水力壓裂弱化堅(jiān)硬頂板降低回采期間礦壓顯現(xiàn)的機(jī)理；張林等[10]利用激發(fā)電磁法，有效觀測到壓裂液引起的電信號(hào)變化，對壓裂液的延伸范圍做出了定性分析，側(cè)面展示了裂隙在地下的空間延展特征；姜志忠[11]進(jìn)行了井下煤層水力壓裂微震響應(yīng)規(guī)律和煤系地層彈性波傳播特性的研究，發(fā)現(xiàn)了煤巖體不同的局部破裂會(huì)產(chǎn)生不同的諧振頻率，釋放不同頻率的聲發(fā)射信號(hào)，表現(xiàn)出多頻同響特征，多頻同響指數(shù)可以表征宏觀裂縫的形成。

東灘煤礦自進(jìn)行開采活動(dòng)以來，已監(jiān)測到多次震動(dòng)事件，嚴(yán)重威脅到礦山的安全生產(chǎn)。為了探索適合該礦區(qū)的礦震防治技術(shù)，閆憲磊[12]利用微震監(jiān)測的方法，對東灘煤礦礦震的發(fā)生規(guī)律及影響因素進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究；詹慶超等[13]、謝華東等[14]通過對東灘煤礦礦震事件發(fā)生規(guī)律及成因的分析，提出并利用煤層巨厚頂板定向長鉆孔分段水力壓裂礦震防治技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對礦震發(fā)生次數(shù)和等級的降低。本文則是基于地震頻率諧振技術(shù)[15]，以東灘煤礦為工程背景，對煤層頂板水力壓裂監(jiān)測效果進(jìn)行研究與分析。通過在壓裂井孔軌跡周邊網(wǎng)格化部署地震頻率諧振探測廊帶，進(jìn)行壓裂前后高精度成像，查明壓裂作業(yè)所形成的地層低波阻抗異常帶空間展布特征，結(jié)合已知的鉆孔和巷道資料，綜合評價(jià)地震頻率諧振技術(shù)在高位堅(jiān)硬頂板的水力壓裂監(jiān)測中的效果。

1 地震頻率諧振技術(shù)介紹

1.1 地震頻率諧振技術(shù)原理

任何物體都存在其自身的固有頻率，大到地球，小到微電子。當(dāng)振動(dòng)作用于物體，物體要做出相應(yīng)的響應(yīng)，振動(dòng)的頻率與物體的固有頻率一致時(shí)，物體將放大振動(dòng)的幅度，即產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。自然界存在大量的非人為的主動(dòng)性振動(dòng)場，如潮汐波動(dòng)、板塊運(yùn)動(dòng)，也有人類活動(dòng)引起的地表振動(dòng)。這些振動(dòng)引發(fā)的地震波能量多數(shù)以面波的形式，少量以體波的形式存在于地球表面。由于地球從表面到深部具有從低速度向高速度變化的特點(diǎn)，根據(jù)地震波傳播理論，波場從地下傳播到地面的傳遞函數(shù)公式見式（1）。

式中：θ為地下波場與水平地面的角度，（°）；Ω1為上層波阻抗值，g/cm3·m/s；Ω2為下層波阻抗值，g/cm3·m/s。當(dāng)θ=90°時(shí)，發(fā)生諧振，如果簡化成均勻大地上方單層地層狀況，則可寫成式（2）。

放大倍數(shù)函數(shù)（即傳遞函數(shù)）與地層的關(guān)系式存在確定的表達(dá)式，當(dāng)具有放大倍數(shù)函數(shù)，同時(shí)通過地面觀測獲得激勵(lì)場函數(shù)，兩者擬合便可進(jìn)行地質(zhì)參數(shù)反演，最終得到地層對應(yīng)的波阻抗、厚度、密度等地質(zhì)信息，從而最終實(shí)現(xiàn)對地下地質(zhì)空間特征進(jìn)行描述的目的[16]。

1.2 地震頻率諧振技術(shù)特點(diǎn)

1）具有較強(qiáng)的抗干擾能力。由于處理過程中將常規(guī)地震勘探的多次迭加技術(shù)引入其中，壓制大量的無用信號(hào)噪聲，使得地震頻率諧振下的地震數(shù)據(jù)信號(hào)占優(yōu)，提高了采集數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2）具有較好的成像精度。該方法利用地震波與地質(zhì)體的諧振現(xiàn)象對地下介質(zhì)進(jìn)行成像，成像參數(shù)為視波阻抗比率或視波阻抗。無論是選取波阻抗還是比率，其本質(zhì)都是與密度和速度相關(guān)的函數(shù)。尤其針對目標(biāo)地質(zhì)體與圍巖密度差異大的地區(qū)，地震頻率諧振技術(shù)擁有更靈敏的識(shí)別精度。

3）無需人工激發(fā)震源。與常規(guī)的地震勘探基本理論不同，該技術(shù)無需應(yīng)用人工激發(fā)震源，主要利用地球內(nèi)部廣泛存在的背景震動(dòng)噪聲進(jìn)行成像，野外采集不破壞自然環(huán)境，安全環(huán)保。

2 工區(qū)概況及數(shù)據(jù)采集處理

2.1 工區(qū)概況

東灘煤礦位于山東省鄒城市境內(nèi)，井田處于兗州煤田的核部和深度，地應(yīng)力較為集中。由于礦區(qū)厚關(guān)鍵層（特厚層砂巖老頂）覆巖在煤礦采空后的壓力釋放伴有動(dòng)力沖擊等強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問題，在地層淺地表會(huì)引發(fā)礦震等地質(zhì)災(zāi)害；且六采區(qū)受特殊地質(zhì)構(gòu)造條件影響，進(jìn)行回采活動(dòng)時(shí)，頻繁發(fā)生震動(dòng)現(xiàn)象。截至本次工程施工前，共監(jiān)測到震動(dòng)事件205 次，其中，震級在1 級（地面有輕微震感）以上的礦震事件達(dá)6 次。

本次開展地震頻率諧振采集工作的63上03 工作面位于六采區(qū)中部，南鄰63上04 采空區(qū)，北鄰63上02工作面（未采）。工作面傾斜寬250 m，標(biāo)高為-581.9～-715.0 m，平均為-650.3 m；地面標(biāo)高為+46.87～+49.17 m，平均為+47.91 m。煤層頂?shù)装鍫顩r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Conditions of roof and floor of coal seam

2.2 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)施工設(shè)計(jì)安排，通過在壓裂井孔軌跡周邊布設(shè)20 m×20 m 等間距網(wǎng)格數(shù)據(jù)采集點(diǎn)（表2），對1號(hào)鉆孔壓裂前后和3 號(hào)鉆孔、4 號(hào)鉆孔壓裂后實(shí)施監(jiān)測（圖1）。

圖1 63上03 工作面壓裂監(jiān)測測點(diǎn)布設(shè)區(qū)域圖Fig.1 Layout of fracturing monitoring points in 63 upper 03 working face

表2 壓裂監(jiān)測工作量Table 2 Fracturing monitoring workload

本次施工選用全液壓定向鉆機(jī)，采用拖動(dòng)式分段水力壓裂方式，封隔器巖層頂板裸眼坐封，三個(gè)鉆孔均以清水作為壓裂液，其注水壓力根據(jù)試驗(yàn)地點(diǎn)地應(yīng)力和瓦斯壓力計(jì)算，初步確定注水壓力為18.1～27.2 MPa，實(shí)際施工過程中，各壓裂段的地層破裂壓力大于上述經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值，基本在17～32 MPa。設(shè)計(jì)每個(gè)鉆孔中單段壓裂液用量為50 m3，各鉆孔軌跡在工作面剖面圖上的位置如圖2 所示。

圖2 63上03 工作面壓裂孔實(shí)鉆軌跡圖Fig.2 Section of solid drill track of compression borehole in 63 upper 03 working face

地面數(shù)據(jù)監(jiān)測采集所使用的檢波器為工作頻率0.2～150 Hz 的高精度頻率諧振采集站，均挖坑埋設(shè)至地表以下，并壓實(shí)表面確保儀器的耦合效果，單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集時(shí)長不少于1 h。

2.3 數(shù)據(jù)處理

地震頻率諧振數(shù)據(jù)的處理主要包含疊前多域去噪、信號(hào)能量補(bǔ)償、高精度速度分析與測井約束聯(lián)合反演三個(gè)方面。

1）通過地震頻率諧振勘探技術(shù)采集獲得的原始數(shù)據(jù)的噪音類型主要包括有源干擾、線性干擾、異常振幅干擾、環(huán)境噪音等。因此，在成像處理之前，需進(jìn)行針對性疊前去噪，這是前期數(shù)據(jù)處理工作的重點(diǎn)。根據(jù)噪音的類型和強(qiáng)度通常采取多域多次的迭代處理，常用的手段包括以下幾方面：①通過分頻的方式，設(shè)定合理的壓制系數(shù)值，達(dá)到對直流噪音、環(huán)境噪聲和異常振幅干擾的有效壓制；②利用相干噪聲壓制技術(shù)，對線性干擾通過分析其自身的頻率、相位、速度特征進(jìn)行噪聲壓制，以提高中淺層資料的成像質(zhì)量；③在（炮）點(diǎn)域去噪完成后，將數(shù)據(jù)分選到CMP 視域，某些異常振幅和外源干擾會(huì)變得更加隨機(jī)，利于區(qū)分和壓制，從而使得殘余的異常噪聲和外源干擾能量得到進(jìn)一步壓制。

2）由于地表?xiàng)l件的差異，不同（炮）點(diǎn)間、道間能量不一致。為了消除由于地表地震地質(zhì)條件因素不一致造成的空間能量不均衡的問題，在完成第一步的疊前多域去噪處理之后，還將對數(shù)據(jù)采取一系列振幅補(bǔ)償措施，補(bǔ)償波前能量隨著地震波傳播距離的增加而衰減，造成縱向上能量差異。補(bǔ)償?shù)膮?shù)以本區(qū)域速度為依據(jù)，并結(jié)合本區(qū)域內(nèi)已知且具有代表性的點(diǎn)來記錄檢驗(yàn)補(bǔ)償效果，確認(rèn)所使用的區(qū)域速度的合理性。

3）速度分析與測井約束聯(lián)合反演是數(shù)據(jù)處理中極其關(guān)鍵的工作。速度多次迭代與成像精度是密切相關(guān)的，精確的速度有利于解決成像的精度問題。針對本礦區(qū)，通過利用礦區(qū)測井資料得到的聲波特征、巖性特征、電性特征等物理性質(zhì)對速度模型和地質(zhì)模型進(jìn)行修正，調(diào)整各項(xiàng)處理參數(shù)，達(dá)到區(qū)分出該地區(qū)地質(zhì)目標(biāo)體和圍巖差異的目的。

3 煤層頂板壓裂效果分析

3.1 1 號(hào)鉆孔壓裂井段裂隙空間發(fā)育特征

壓裂孔是由工作面前方的聯(lián)絡(luò)巷開口鉆進(jìn)，行進(jìn)至目標(biāo)層位后開始進(jìn)行壓裂作業(yè)。但由于現(xiàn)場設(shè)備原因，1 號(hào)鉆孔僅完成前3 段壓裂作業(yè)（第2 段壓裂由于地層破裂后水壓降低未能形成有效壓裂），總長度約60 m。該壓裂層段所處水平層位在-460～-490 m，巖性以細(xì)砂巖為主，厚約156 m，其上部夾薄層粉砂巖，下部夾薄層中砂巖，整個(gè)壓裂層位屬于侏羅紀(jì)三臺(tái)組下段主關(guān)鍵層。

1 號(hào)鉆孔的水平投影基本位于L3 測線和L4 測線之間，檢波器布設(shè)范圍如圖3 所示，1 號(hào)鉆孔壓裂后L1 測線～L6 測線效果圖如圖4 所示。由圖4 可知，未進(jìn)行水力壓裂作業(yè)的厚關(guān)鍵層整體表現(xiàn)為水平層狀，而經(jīng)過壓裂作業(yè)后的目標(biāo)層位在各測線剖面對應(yīng)的位置上均發(fā)生了波阻抗值的變化，說明壓裂作業(yè)后導(dǎo)致了壓裂區(qū)域的巖層被破壞，形成的裂隙區(qū)表現(xiàn)出了明顯的低波阻抗特性。而各條測線的低波阻抗區(qū)域均近似橢圓形，也說明裂隙擴(kuò)展的路徑以水平展布為主，垂直方向上則受地應(yīng)力壓力影響，高度基本未超過30 m。同時(shí)，壓裂作業(yè)后除了形成較大型的導(dǎo)水裂隙區(qū)之外，還形成了不導(dǎo)水的應(yīng)力降低區(qū)，前者范圍小，而后者范圍較大，故而在測線剖面圖上呈現(xiàn)出的低波阻抗區(qū)比實(shí)際產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙區(qū)要大。

圖3 1 號(hào)鉆孔檢波器位置分布Fig.3 Location distribution of geophones in borehole 1

圖4 1 號(hào)鉆孔壓裂后L1 測線～L6 測線效果圖Fig.4 Effect diagram of lines L1-L6 after fracturing in borehole 1

3.2 3 號(hào)鉆孔壓裂井段裂隙空間發(fā)育特征

3 號(hào)鉆孔壓裂作業(yè)也由相同位置開口鉆進(jìn)，沿斜上方行進(jìn)至目標(biāo)層，一共實(shí)施了14 段壓裂，總長度約480 m，整個(gè)壓裂段所處水平層位在-640～-680 m之間。其中，前7 段巖性以粉細(xì)巖、細(xì)砂巖為主，含少量砂質(zhì)泥巖，后7 段巖性則以中砂巖、粗砂巖為主，整套壓裂層位處于二疊系下石盒子組。

3 號(hào)鉆孔的水平投影位置同樣位于監(jiān)測區(qū)域的中心、即L3 測線和L4 測線之間，如圖5 所示。3 號(hào)鉆孔壓裂后L1 測線～L6 測線效果圖如圖6 所示。由圖6 可知，壓裂作業(yè)后的目標(biāo)層段在6 條測線上均表現(xiàn)為波阻抗低值異常，裂隙的擴(kuò)展形成特征也與1 號(hào)鉆孔壓裂效果類似，同樣形成了范圍較小的導(dǎo)水裂隙區(qū)和外層較大范圍不導(dǎo)水的微裂隙低應(yīng)力區(qū)。

圖5 3 號(hào)鉆孔檢波器位置分布Fig.5 Location distribution of geophones in borehole 3

圖6 3 號(hào)鉆孔壓裂后L1 測線～L6 測線效果圖Fig.6 Effect diagram of lines L1-L6 after fracturing in borehole 3

但相較于1 號(hào)鉆孔，3 號(hào)鉆孔實(shí)施了更長的壓裂作業(yè)長度，基本覆蓋到采集測線的長度，但各條測線在其0～150 m 長度區(qū)間內(nèi)（大致對應(yīng)壓裂作業(yè)的前5 段）所顯示的壓裂效果并不明顯。分析認(rèn)為是由于巖層賦存狀態(tài)不均勻，當(dāng)壓裂作業(yè)在地層中壓出一條裂縫后，由于地層的濾失作用，以及受限于當(dāng)時(shí)壓裂泵組的最大作業(yè)功率，難以將注水壓力繼續(xù)提高，無法超過該處地層耐破上限的壓力，也就未能再對該段地層造成充分的破裂。但在3 號(hào)鉆孔壓裂的中后段，通過測線剖面可以看出，基本形成了一段沿測線走向方向整體長度約200 m、垂向有效壓開高度超過80 m 的低波阻抗連片區(qū)，證明此處壓裂效果良好（圖7）。

圖7 3 號(hào)鉆孔壓裂后3D 效果展示圖Fig.7 3D effect display after fracturing in borehole 3

3.3 4 號(hào)鉆孔壓裂井段裂隙空間發(fā)育特征

4 號(hào)鉆孔最后進(jìn)行施工，同樣是由工作面前方的聯(lián)絡(luò)巷開口鉆進(jìn)，共計(jì)完成10 個(gè)壓裂段，總長度約350 m 的壓裂作業(yè)，整個(gè)壓裂段所處水平層位在-650～680 m 之間。第1 段、第2 段巖性以粉細(xì)砂巖、細(xì)砂為主，夾雜少量泥巖；中段則以灰黑色粉細(xì)砂巖互層為主；從第4 段往后，巖性則以黃色中細(xì)砂巖、中粗砂巖為主。整套壓裂層位處于二疊系下石盒子組。

4 號(hào)鉆孔水平投影軌跡貫穿整個(gè)監(jiān)測區(qū)域，同樣也位于L3 測線和L4 測線之間，如圖8 所示。4 號(hào)鉆孔壓裂后L1 測線～L6 測線效果圖如圖9 所示。由圖9 可知，4 號(hào)鉆孔壓裂后的目標(biāo)層段也在6 條測線上表現(xiàn)出波阻抗異常低值，但是在測線中后段200～340 m 之間出現(xiàn)一段明顯高波阻抗區(qū)，“打斷”了前后低波阻抗區(qū)的連續(xù)性。分析認(rèn)為主要是受此處地表公路橫穿測線的影響，導(dǎo)致檢波器接收到的能量過強(qiáng)，未能真實(shí)反映出該段的壓裂效果。同時(shí)，位于鉆孔水平地表投影軌跡北側(cè)區(qū)域的測線（即L4 測線、L5 測線、L6 測線），裂隙擴(kuò)展范圍明顯較南側(cè)區(qū)域測線大，說明在壓裂作業(yè)后裂隙主要沿此方向在延伸，與該采區(qū)的最大水平主應(yīng)力方向是大致相同的。

圖8 4 號(hào)鉆孔檢波器位置分布Fig.8 Location distribution of geophones in borehole 4

圖9 4 號(hào)鉆孔壓裂后L1 測線～L6 測線效果圖Fig.9 Effect diagram of lines L1-L6 after fracturing in borehole 4

4 結(jié)論

1）壓裂作業(yè)后形成的裂縫區(qū)往往在剖面對應(yīng)位置上呈現(xiàn)出非常明顯的低波阻抗帶，且裂隙的空間延伸方向與該地區(qū)的最大水平主應(yīng)力方向基本一致，表明通過地震頻率諧振勘探技術(shù)對煤層頂板的水力壓裂監(jiān)測是可行的，對于后續(xù)評價(jià)水力壓裂技術(shù)在礦震治理中的效果具有積極作用。

2）上述低波阻抗帶不僅反映了壓裂作業(yè)會(huì)對目標(biāo)巖層核心區(qū)造成破壞而產(chǎn)生具有導(dǎo)水功能的裂隙外，還反映了垂直裂隙尾翼發(fā)育的狀態(tài)。這種尾翼的長度要遠(yuǎn)大于裂隙本身，但與之不同的是，這種“包裹”裂隙區(qū)外圍的低波阻抗區(qū)其實(shí)是一種不具備導(dǎo)水功能的應(yīng)力降低區(qū)，可以將其定義為微裂隙帶，這一特征與水力壓裂對巖層力學(xué)狀態(tài)的影響是相符的。

3）在數(shù)據(jù)采集中發(fā)現(xiàn)，地震頻率諧振技術(shù)具備一定的抗隨機(jī)干擾能力，能夠在井場絕大部分的電磁、人文干擾環(huán)境下完成數(shù)據(jù)采集。但是對于固定的強(qiáng)震源干擾（如交通繁忙的主干道路），與其臨近的測點(diǎn)采集信號(hào)仍會(huì)受到較強(qiáng)的干擾，最終導(dǎo)致噪聲信號(hào)在反演過程占據(jù)主導(dǎo)，影響成圖質(zhì)量。因此，實(shí)際施工過程中，應(yīng)盡量避免此類情況發(fā)生，同時(shí)，針對強(qiáng)干擾數(shù)據(jù)的去噪處理方法也有待進(jìn)一步優(yōu)化。