煤礦堅硬頂板災害水力壓裂防治技術監測及評估

石 垚，雷 瀚，楊新路，徐世達

(1.中煤科工開采研究院有限公司 巷道研究分院，北京 100013；2.東北大學 深部工程與智能技術研究院，遼寧 沈陽 110819)

煤礦井下生產過程中，頂板意外垮落通常會造成生產計劃延誤、人員設備傷亡等損失。近年來，頂板事故在煤礦各類型災害事故中占據較大比例，嚴重威脅煤礦的安全生產。據統計，2010—2019年全國煤礦頂板事故2536起，死亡3208人，分別占煤礦總事故數與總死亡人數的44.41%和32.28%[1]。存在堅硬頂板的煤層開采，多具有頂板強度高、懸頂面積大、應力集中現象突出的特點，更容易誘發頂板災害事故[1，2]。我國一半以上的礦區煤層發現了堅硬頂板，存在堅硬頂板的煤層約占總體煤層的三分之一[3，4]。實踐表明，頂板災害事故誘因多、易突發、防控難度大[5]。因此，煤礦頂板災害防控一直是我國煤礦開采領域中的重要研究課題。

自1947年水力壓裂在美國堪薩斯州試驗成功以來，壓裂設備、壓裂液和添加劑、支撐劑等方面迅速發展，已廣泛應用于地應力測量、天然氣、石油等領域，隨著水力壓裂在油氣領域表現出的增透鉆孔布置簡便、增透范圍大、壓裂效果明顯等優勢，逐漸應用于圍巖巖層控制和低透氣煤層的瓦斯治理兩個領域[6，7]。我國煤礦堅硬頂板水力壓裂技術最早由波蘭引進，并在大同礦區開展了試驗[4，8]。相較于其他頂板卸壓技術，水力壓裂技術具有安全性好、環境影響小、經濟性強、控制范圍大的優點，且經濟成本不到其1/10[9]，在頂板控制中更具有優勢。

水力壓裂的原理是將壓裂液注入至壓裂孔中，通過穿孔或裸眼井段，進入待壓裂區域，在兩端密封器作用下產生足夠高的壓力，破壞目標地層巖石產生裂縫。由于地層是非均質的，存在大量的原生裂縫。水力壓裂產生的裂縫受原生裂縫賦存形態的影響，最終在壓裂孔周圍形成一定形態不規則的復雜裂縫網絡。堅硬頂板水力壓裂卸壓的效果取決于壓裂工藝技術的參數合理程度，而壓裂裂紋實時監測及壓裂后頂板破裂規律研究是確保水力壓裂施工取得理想效果的關鍵性手段。精準壓裂將是水力壓裂技術的發展趨勢。通過水力壓裂裂紋監測技術，可了解堅硬頂板裂縫擴展情況，分析壓裂參數與施工效果指標之間的聯系，優化水力壓裂設計方案，提高堅硬頂板控制效果。

1 常見水力壓裂監測技術

1.1 鉆孔窺視法

許紅杰[10]依托榆神礦區神樹畔煤礦采用鉆孔窺視、高頻電磁波CT技術對壓裂前、后頂煤體裂隙破裂及擴展狀態進行了探測，壓裂后鉆孔內頂煤裂隙發育比例增加23.5%。李浩男[11]采用鉆孔窺視方法揭示了水力壓裂成莊煤礦15號煤上覆堅硬頂板分層垮落過程，為堅硬難垮頂板治理提供了參考。張榮俊[12]采用鉆孔窺視技術揭示了水力壓裂過程產生了軸向裂隙和徑向裂隙發展過程。五陽煤礦采用鉆孔窺視儀觀測壓裂后裂紋的方向，并通過鉆孔是否冒水判斷壓裂范圍[13]。張宏[14]通過觀測紅柳林煤礦工作面錨桿受力情況發現水力壓裂后頂板巖層應力向實體煤方向轉移。上榆泉煤礦[15]采用鉆孔窺視儀觀測壓裂后煤巖體裂隙發育情況，獲得單個壓裂孔有效擴散半徑約為10 m的結論，工作面初次來壓步距縮短為32 m。野川煤礦[16]采用水力壓裂技術弱化分層頂板，使其分區域、分次及時垮落，通過觀察水力壓裂鉆孔出水判斷出壓裂水壓10～20 MPa時，壓裂范圍約為10 m。寸草塔煤礦[17]采用水力壓裂實現綜采工作面有序放頂，通過鉆孔窺視發現壓裂水壓29 MPa時，壓裂直徑最大可達20 m，工作面初次來壓步距減小至51.2 m。郭家灣[18]開展了大采高工作面水力壓裂放頂試驗，通過鉆孔窺視儀發現切槽方向對壓裂裂隙擴展方向具有顯著影響，頂板初次垮落步距為51.7 m，與未進行水力壓裂頂板相比減少30 m以上。斜溝煤礦[19]采用鉆孔窺視方法評價工作面材料巷頂板水力壓裂切頂卸壓效果，揭示了鉆孔內豎向裂隙帶的存在，提高了迎采掘進巷道圍巖的穩定性。

1.2 應力監測

小保當一號煤礦柱[20]采用鉆孔應力計測試，發現壓裂段與非壓裂段相比煤體應力降低了50%以上。納林河二號煤礦[21]支架阻力測試表明，頂板來壓步距由18.24 m降低至12.76 m，來壓前支架平均阻力由33.41 MPa降低至28.46 MPa，來壓峰值由53.24 MPa降低至48.21 MPa，煤體淺孔應力由4.3 MPa降低至1.72 MPa。張榮俊[12]通過在高壓聚能泵的出口位置安裝高精度壓力表的方法觀察到當壓裂壓力在18 MPa時，水力壓裂裂縫擴展范圍達到10 m。寺河煤礦[22]通過觀測錨索受力變化研究大采高留巷水力壓裂切頂卸壓效果，垂直應力集中區由壓裂前的滯后工作面150 m至350 m范圍減小到滯后工作面50 m范圍內。漳村煤礦[23]基于鉆孔應力計與液壓支柱應力計研究壓裂孔密度對巷道卸壓效果的影響，總結出壓裂水壓達到28 MPa時14 m是最經濟合理的壓裂孔間距，壓裂段最大值28.7 MPa，非壓裂段最大值達到43.4 MPa。東灘煤礦[24]通過光纖光柵三維應力計采集水力壓裂前后采動應力數據，觀察到壓裂后頂板巖層應力集中程度明顯降低，主應力方向改變，超前支承壓力影響范圍減小。

1.3 位移監測

陳真[20]采用十字布點位移測量法測量壓裂前后巷道變形量，分析了水力壓裂切頂前后頂板與兩幫變形差異，頂板下沉量減小約48.3%，兩幫移近量減小約62.4%。大柳塔煤礦[27]52502工作面來壓步距平均值由29.37 m下降到11.43 m，降幅61.08%。寺河煤礦[22]東五盤區東翼集中巷布置表面位移測站，切頂卸壓后，兩幫移近量降低53%，頂板下沉量降低33%，底鼓量降低18%。山西潞安漳村煤礦[23]在雙U工作面留巷圍實施定向水力壓裂后，巷道頂底板和兩幫位移量分別降低了45%和26%，巷道變形控制效果良好。中興礦[28]采用巷道圍巖變形監測對比分析壓裂卸壓效果，觀察到壓裂段頂底板移近量是未壓裂段的56%，兩幫收縮量是未壓裂段的22%?；仄碌椎V[29]綜采工作面留巷水力壓裂切頂卸壓后，巷道頂底板移近量降低50%，兩幫移近量降低30%。

1.4 電磁法

許紅杰[10]采用高頻電磁波CT技術對壓裂前后的煤體進行井下實地探測，發現壓裂裂縫擴展貫通范圍達到10 m以上。納林河二號煤礦[21]頂板定向長鉆孔水力壓裂最高壓力30 MPa，采用孔內瞬變電磁探測判斷壓裂影響半徑約30 m。千秋煤礦[30]采用KBD-5電磁輻射儀采集壓裂前后電磁輻射強度和脈沖數，壓裂后均呈現出明顯下降現象。吳雯[31]基于壓裂過程電場變化特點開發了分布式微弱電場監測技術，為壓裂液運移成像提供重要支撐。五陽煤礦[13]采用瞬變電磁儀觀測壓裂前后工作面頂板電阻率變化，壓裂區域形態與低電阻區域形態基本吻合。李宇騰[32]采用壓裂孔內施工的動源動接收瞬變電磁探測方法分析壓裂純異常場，判定條帶狀低阻異常即為壓裂裂縫所致，異常走向為裂縫延伸方向。

1.5 微震監測技術

張軍[33]采用微地震向量掃描技術研究了不同傾角煤層壓裂裂縫面的產狀、發育機理，為壓裂設計及監測提供參考依據。納林河二號煤礦[21]頂板微震監測表明，定向長鉆孔壓裂能夠有效降低工作面回采過程中微震事件能量及頻次，極大程度上降低了一次見方區域的能量釋放強度。李巖[34]采用微震監測技術開展水力壓裂防治沖擊地壓過程研究，發現壓裂區域頂板微震事件總能量和每米釋放能量明顯降低，降低了開采區域沖擊危險性。小莊煤礦[35]采用超長鉆孔水力壓裂技術對特厚煤層頂板壓裂卸壓，發現水力壓裂過程中微震事件具有“高頻低能”的特點，揭示了上覆巖層頂板緩慢弱化過程。孟村煤礦[36]采用微震監測研究壓裂過程煤巖體破裂活動規律，發現每次壓裂施工結束后微震活動性明顯降低，微震活動呈現“低頻低能”狀態，構造區應力得到有效釋放。東灘煤礦[24]采用SOS微震監測系統研究壓裂頂板破裂活動，結果表明壓裂后大能級事件顯著降低，日事件平均能量由100 kJ/d下降到10 kJ/d，空間平均釋放能量保持在4～8 kJ/m。

常見的頂板水力壓裂監測手段鉆孔窺視具有操作簡單、節約成本的優點，但其監測范圍有限，難以實現實時、連續監測；應力監測和位移監測適應性強，受環境因素影響小，可以及時監測巖體應力和位移狀況對巖石破裂做出預警，但無法準確映射圍巖內部狀況；孔內瞬變電磁探測適用于具有一定導電性質的礦床，在非導電性質的介質中探測效果差，信號易受到外部電磁源干擾，影響探測結果。上述監測手段基本屬于點監測或表面監測，局部偶然性大，無法揭示壓裂處巖體響應特征。微震監測監測范圍廣、靈敏度高，微震監測具備空間“場”的特點，能夠實現實時、連續監測，對災害及時預警，應用越來越廣泛。

2 堅硬頂板水力壓裂微震監測技術

堅硬頂板水力壓裂微震監測期望獲得水力壓裂裂縫擴展方向、擴展范圍等信息，用于優化水力壓裂參數。煤礦井下堅硬頂板水力壓裂微震監測主要有地面監測、井下監測、聯合監測等方式。

2.1 地面監測

地面監測一般將微震監測設備布置在地表，檢波器安裝于地表、淺孔或地面監測井中。針對地表和淺孔安裝，傳感器一般布置于井下水力壓裂區域地表投影內，保證傳感器監測范圍能夠覆蓋井下壓裂頂板。這種傳感器淺層地表布置方法在煤層埋深較小時監測精度較高，隨著煤層埋深的增大，垂向定位精度顯著降低。同時容易受淺層地表地質條件的影響，第四系表土層、較破碎的巖層條件都會降低其監測精度。針對淺層地表傳感器布置方式的不足，部分學者提出采用由地面向下施工監測井，將微震傳感器成串布置于監測井中。這種監測方法在油氣領域微震監測較常見，煤礦使用較少，多需與其他布置方式聯合監測。檢波器監測井布置方法對破裂震源垂向精度控制相對較好，在遠離監測井的區域水平定位誤差較大。

2020年淮河能源集團與中國煤炭地質總局勘察研究總院采用三維高密度矩陣式地面微震觀測系統采集淮南潘謝區塊PX2-1井水力壓裂前、壓裂中、壓裂后的微震數據，成功定位95個微地震事件，并對震源機制、地應力進行了反演分析，判斷出埋深784.54 m處壓裂裂縫最多[37]?？导t普[38]采用地面微震臺站監測方法開展了陜煤曹家灘煤礦榆神礦區頂板壓裂過程監測，通過向量掃描法分析了122108工作面頂板內壓裂孔壓裂釋放能量空間分布特征，揭示了壓壓裂縫網分布形態，圈定了裂縫網擴展高度。

圖1 地表微震傳感器布置Fig.1 Layout diagram of surface microseismic sensor

圖2 地表監測井微震傳感器布置Fig.2 Schematic diagram of microseismic sensor layout in surface monitoring well

2.2 井下監測

與金屬礦床、油田儲油層賦存特征不同，煤層數量較少且垂向高度普遍較小，但在水平方向長度、寬度均較大，需要監測的煤層頂板整體呈薄板形態。正是由于煤層的這種賦存形態，煤礦巷道工程多布置在煤層底部，使得在輔運巷中布置的傳感器陣列多呈線性或平面布置，垂直輔運巷與垂直方向上分布相對較單一。再加上相鄰輔運巷距離較大，通常高達幾百米，布置在相鄰輔運巷中的微震傳感器很難實現協同定位，因此嚴重制約了煤層頂板微震監測的范圍與監測精度。盡管部分煤礦采用加長傳感器安裝長度的方法擴大監測區域，但由于裝置安裝深度的限制，并未顯著提升微震系統監測精度。

中科院武漢巖土所在東灘煤礦六采區附近布置了4個微震探頭，揭示了微震事件發生率與釋放能量變化規律，與“懸頂出現→懸頂面積不斷擴大→懸頂斷裂能量釋放”周期性發生過程[28]。北京科技大學通過布置于壓裂孔周圍的6個檢波器采集壓裂微震信號，發現水力壓裂信號頻率相對單一，在30～250 Hz頻段較為集中[39]。布爾臺煤礦三采區1603工作面共布置46個三向、單向微震傳感器測點，得到利用井下微震監測技術能夠獲得煤層鉆孔水力壓裂破壞范圍的結論[40]。

圖3 井下微震傳感器布置Fig.3 Underground microseismic sensor layout diagram

2.3 聯合監測

針對地面監測與井下監測方法的不足，部分學者提出了“井-地-孔”微震監測方法，即通過井下巷道、孔中和地面聯合布置的方法采集采動巖體破裂信號。這種布置方法彌補了地面、井下傳感器陣列相對線性或平面式的安裝。

寺河礦[41]采用井地聯合微震監測技術捕捉水力壓裂過程破裂事件，地面監測以壓裂為中心采用網狀布點覆蓋破裂位置，地面傳感器通過挖0.5～1.5 m深土坑將傳感器埋入，井下傳感器安裝于錨桿外露端。重慶大學依托野外試驗巷道建立了地表、地下聯合28通道微震監測系統，揭示了煤層壓裂微震信號頻率特征及壓裂影響范圍[42]。

圖4 “井-地-孔”聯合微震傳感器布置Fig.4 Layout diagram of “well-ground-hole” combined microseismic sensor

綜上所述，地面監測微震系統對水平或緩傾斜煤層頂板壓裂區域平面覆蓋性好，破裂水平定位精度較高，設備安裝工藝簡單，可實現數據無線傳輸，但易受地表地形限制，破裂垂直定位誤差較大，破裂信號信噪比低，尤其在第四系覆層較厚的情況下難以捕捉小能量的壓裂事件。利用地面監測井布置微震傳感器時，震源垂直精度較高，但傳感器安裝工藝較復雜，特別是在同一口井中布置多支傳感器時，較難保證傳感器深度安裝精度；針對走向長度、寬度較大的煤層頂板壓裂區域開展監測時，需布置多口監測井。井下監測可依托井下巷道布置微震傳感器，監測距離近，監測精度較高，但在開采規模較大時，需采用超長深鉆孔，井下施工易對生產活動造成干擾，線纜傳輸易受人為活動影響中斷。采用聯合監測方法時，集合了各方法的優點，空間包絡性更強，壓裂監測精度更高，但工作量與監測成本也將顯著提升?？梢?，不同水力壓裂微震監測方法各有利弊，應根據現場工程布置與壓裂區形態、范圍、埋深等信息選擇合適的監測方法。

3 水力壓裂效果評估

準確可靠的評價水力壓裂效果是為了有效地弱化堅硬頂板。水力壓裂效果評估一直是國內外學者的研究熱點，早期的研究多基于室內物理模型試驗，隨著堅硬頂板水力壓裂弱化技術的應用，逐漸向現場煤層堅硬頂板水力壓裂效果監測與評估集中。

采用物理模型聲發射試驗是模擬研究人工注采復雜裂縫起裂、擴展機理、評估現場注采工藝的重要科研手段之一。陳勉[43]最早將聲發射監測技術應用到室內水力壓裂試驗中。劉玉章[44]對比分析了大尺度巖樣內部裂縫擴展過程聲波分布規律與實際裂縫形態，揭示了層間應力差、施工參數對裂縫垂向延伸范圍的影響。梁天成[45]利用聲發射技術開展了砂巖、煤巖、頁巖三類巖石水力壓裂模擬實驗，討論了采用聲發射信號頻度和RA值兩個參數聯合評價壓裂模擬模型實驗破裂機制的可行性。尹陳[46]研究了不同尺度裂縫/裂隙活動誘發聲發射和微地震事件的時空分布特征，發現巖石原生裂縫、裂隙分布趨勢和方位對裂縫擴展具有主控作用。范濛[47]基于室內大型壓裂物理模擬實驗，結合壓裂后裂縫形態、聲發射數據和泵壓曲線，發現垂向地應力差異系數、壓裂液排量、黏度對水力壓裂裂縫與天然弱面的貫通方式、水力裂縫的擴展速度有重要影響。一般情況下，室內水力壓裂試驗多采用石膏或水泥澆筑制成的試樣和現場獲取的小尺寸試樣，與小尺寸巖石試樣相比，水力壓裂裂紋擴展、聲發射信號傳播等在大尺寸試樣和現場巖體中更容易受結構面影響，呈現出的規律也更復雜。

黃炳香[9]針對水力壓裂裂縫形態控制要求，提出了水力壓裂設備、技術工藝改進的方法。鄭凱歌[48]采用壓裂范圍、來壓步距、來壓周期、來壓支架荷載等指標描述神東礦區布爾臺煤礦水力壓裂效果，裂縫發育長度30 m上，周期來壓步距由15.6 m降低至8.6 m，應力降幅達到3 MPa以上，治理效果良好。姜光[49]通過周期來壓步距、支架動載系數等分析宋新莊煤礦110301工作面堅硬頂板治理效果，為類似工作面開采提供了寶貴經驗。張慶國[50]基于水力壓裂影響范圍評價厚煤層綜放工作面沿空掘巷堅硬頂板水力壓裂弱化技術，壓裂后觀察到明顯的宏觀軸向及徑向裂縫，壓裂影響范圍在7.0～10.0 m，改善了工作面應力環境。龐貴艮[51]采用孔內瞬變電磁法分析了壓裂前后電阻分布規律，提出采用壓裂前后視電阻率變化范圍作為壓裂效果評價方法。楊勝利[52]依托寺河煤礦二號井15號工作面，采用基本頂垮塌距離作為堅硬頂板有序垮落的評價指標，水力壓裂后18 m的老頂垮落距離優于放炮放頂的25 m老頂垮落距離。趙凱凱[53]分析了胡家河煤礦堅硬頂板水力壓裂作用下裂縫面積及其擴展速度，主裂縫平均面積約為1.5×104m2，區域裂縫平均擴展速度約為152 m2/min，為堅硬頂板區域水力壓裂技術的應用提供參考。段宏飛[54]研究了水力壓裂裂紋擴展范圍內的頂板沖擊來壓風險，揭示了30～50 m裂紋擴展范圍內無明顯沖擊來壓的規律，獲得了水力裂紋擴展范圍內水力壓裂能有效控制堅硬頂板的結論。潘俊鋒[55]在陜西孟村煤礦401102綜放工作面對厚硬頂板開展區域壓裂試驗，采用微震數據反演獲得的裂縫長度、高度及帶寬等參數分析壓裂效果，實現了人造解放層效應，獲得了壓裂區微震事件“高頻低能”的認識。梁鐵光[56]采用工作面來壓強度與壓裂鉆孔影響半徑評估堅硬頂板水力壓裂效果，提出了利用壓裂孔導通裂隙的高、低位水力壓裂鉆孔交錯布置頂板弱化技術。王春林[57]通過來壓的頻次與規模分析了堅硬頂板水力壓裂治理效果，提出了“定向長鉆孔+常規短鉆孔”水力壓裂綜合弱化治理技術。

物理模型實驗研究多采用聲發射監測、聲波測試、切割試樣觀察裂縫形態等方法開展水力壓裂效果評估，由于試樣尺度較小、均質度較高，加上測試傳感器較好的空間包絡性，壓裂事件定位精度高，試樣波速能夠準確測量，因此壓裂效果評估相對較準確?，F場煤層頂板由于受結構面、采動等影響，壓裂效果評估難度大。目前，水力壓裂多采用壓裂影響范圍、壓裂前后應力、變形、來壓步距等指標評價壓裂效果。其中壓裂影響范圍多通過出水孔與壓裂孔距離確定，但無法保證出水孔位置正好處于壓裂影響區邊界處。應力、變形與來壓步距均屬間接測試，影響因素較多。盡管部分案例采用微震技術監測水力壓裂過程，但傳感器數量相對較少、監測方案相對較簡單，監測精度遠小于物理模型實驗監測精度，據此開展的水力壓裂效果評估可靠性值得商榷。因此，開展煤層頂板水力壓裂高精度微震監測技術研究，建立微震參變量與壓裂效果指標之間的關系，研發適用于煤礦堅硬頂板的水力壓裂精準評估技術迫在眉睫。

4 結語與展望

由于壓裂工程的隱蔽性及巖體的不均質性，獲取水力壓裂裂縫的影響范圍、形態參數等信息存在較大困難，缺乏揭示壓裂作用下裂縫擴展過程的數據，無法獲得定量化分析的不同壓裂參數下裂紋動態演化規律。因此，煤礦堅硬頂板水力壓裂監測與評估技術仍存在有待進一步解決的問題。

1)針對煤層頂板水力壓裂監測區域“薄板”形態的特點，采用超深鉆孔與段鉆孔相結合的方式布置檢波器，通過既具有信號接收功能、又具有主動波發射功能的主被動聯合監測系統，形成煤層堅硬頂板透明化監測技術，為水力壓裂效果精準評估提供基礎數據。

2)節理的存在對巖體水壓裂作用具有顯著影響，節理與壓裂孔的空間相對角度、節理的密度等信息與壓裂效果之間的定量化關系尤為重要。因此，開展不同產狀節理與壓裂孔方位、間距及壓裂壓力、流量之間的關系研究將成為壓裂優化設計的關鍵。

3)壓裂效果評估應考慮更多的因素，除目前較普遍的影響區域半徑、大能級事件頻次及比例、來壓距離、垮塌距離等指標外，還應考慮煤層頂板巖性、巖層結構的影響。一般情況下，壓裂后頂板破裂過程釋放能量、劇烈程度均有很大差異，不能簡單的僅采用破裂事件的能量評價壓裂效果。