System and application of regional fracking of coal seam roof on and under the ground to prevent rockburst
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摘要:
针对冲击地压局部卸压范围小，连续性低，作业风险高等问题，开展煤层厚硬顶板井上下千米顺层钻孔区域压裂防冲系统与工程应用研究。结果表明，从加载条件来分，顶板主导型冲击地压可分为动静载荷叠加型、高静载荷加载型、高静载荷卸荷型3种类型；厚硬顶板是采掘围岩冲击地压启动区域性静载荷、动载荷供给主体，以提供冲击启动动静载荷源的厚硬顶板为靶点，提出建立煤层顶板地面、井下千米水平孔分段致裂卸压系统，开展顶板千米顺层钻孔区域压裂。通过井上下提前破坏冲击危险区域上覆顶板的完整性，使得载荷向更完整顶板区域迁移，从而为井下掘进、回采提供低应力作业大环境，也使得冲击地压丧失启动的重要载荷条件。分别进行了工作面开采前地面水平井顶板区域压裂防冲技术试验，工作面开采过程中井下巷道水平孔顶板区域压裂防冲技术试验，实践效果显著，形成了冲击地压建设矿井“先压后建”，生产矿井“先压后掘、先压后采”新的灾害防治模式。
Abstract:To solve the problems of small local relief range, low continuity and high operational risk of rockburst, regional hydro-fracking and burst prevention system and engineering application research were carried out within thick and hard roof of a coal seam by well over thousand meters on and under the ground. The results show that, according to the loading conditions, the roof dominated rockburst can be divided into three types: superposed dynamic and static loading type, high static loading type and high static unloading type; The thick and hard roof is the main source of regional static and dynamic loading for rock burst initiation of mining surrounding rock. With the thick and hard roof as the target, which provides the source of dynamic and static load for rock burst initiation, a segmented fracturing pressure relief system for the roof with 1000 meter horizontal holes on and under the ground was established and fracking was carried out in this area. By destroying the integrity of the overlying roof in the burst prone area in advance on and under the ground, the load is transferred to the more intact roof area, so as to provide a low stress operational environment for underground excavation and extraction, and also make the rock burst initiation conditions inapplicable. The fracking and burst control tests on the roof area using the horizontal well drilled on the ground before the extraction of the panel, and underground drilling from the entries during the extraction were carried out respectively. Remarkable results have been achieved in practice, forming a new disaster prevention and control mode of “fracking before construction” for burst prone coal mines under construction, and “fracking before tunneling, fracturing before mining” for the producing coal mines.
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0. 引 言
“十三五”以来，煤矿大的安全形势持续好转，接连出现的几起冲击地压事故在目前0.044的百万吨死亡率中[1]，占比比较明显。究其原因，制约煤矿安全生产的其他主要灾害都建起了规范、长效的防治系统，比如煤与瓦斯突出防治，有井上下抽采系统；煤层自然发火防治，有地面灌浆治灾系统；矿井突水防治，有地面帷幕注浆系统。我国煤矿冲击地压高应力调控治理方面，历经数年的探索与实践主要集中在2个环节[2-5]。在设计阶段，形成了基于地应力分布特征的巷道布置设计思路；成功实践了冲击地压煤层开采解放层防冲技术；在中东部冲击地压矿区大力推广了沿空掘巷技术，部分条件适宜的矿井开展了巷道交叉布置的“负煤柱”防冲技术、切顶留巷的无煤柱技术[6-8]。在局部卸压解危阶段，开发了高压水射流切缝技术[9]、深孔定向压裂与爆破技术、大力推广了煤层大直径钻孔卸压技术等[10-12]。
近年来，山东、吉林、陕西等地冲击地压事故反映出了优化开拓开采布局联合局部卸压解危的技术路线仍然难以满足防冲安全要求。实际上，厚硬顶板[13-17]以及大型构造、地堑结构的存在为冲击地压发生提供了大环境及根本性的区域驱动力[18-23]，在如此高危环境从事冲击地压卸压解危一方面能力不足，另一方面防冲卸压人员始终处于冲击危险环境，通常成为冲击地压事故的遇害者，为此，针对灾害较重的矿井，在优化开拓布局与局部卸压解危之间，急需建立大范围、连续性、远程作业的区域卸压系统。
以顶板控制型冲击地压发生力源条件分析为切入点，在井上下顶板区域压裂防治冲击地压理论基础上，提出以提供冲击启动载荷源的厚硬顶板为靶点，分别建立顶板井上、下区域致裂卸压系统，并开展了厚硬顶板千米顺层钻孔区域水力压裂防冲原理研究与工程试验，实现了试验工作面安全开采，结果良好。
1. 地面、井下区域压裂顶板防治冲击地压理论
1.1 顶板控制型冲击地压类型与发生条件
冲击地压从主控因素上来讲，可分为顶板控制型、构造控制型、煤柱控制型。从发生载荷条件上来讲，顶板控制型冲击地压又主要分为以下3种类型。
1）动静载荷叠加型。如图1所示，此类冲击地压发生条件是因为侧向采空区及本面采空区上覆厚硬顶板协同悬顶，导致受影响区域巷道两帮应力集中，顶板垮断时动载荷叠加静载荷诱发冲击地压启动。
力学过程为图1所示模型静载荷集中区Ω处，受到相邻采空区顶板活动产生的动载荷Ed扰动、加载，达到极限而发生动力失稳，并释放出剩余高速能量推动巷帮塑性区Γ、支护区S做功，表现出冲击地压显现。该模型的冲击地压发生能量判据为
∫ΩEΩdΩ+∫ΩEdΩdΩ−∫ΓUΓdΓ−ES−EC(Ω + Γ)>0 (1) 式中：EΩ为Ω处静载荷能量密度；EdΩ为顶板动载荷抵达Ω处的能量密度；UΓ为Γ处煤体消耗的能量密度；ES为巷道支护的约束能；
EC 为巷帮煤体冲击启动需要的临界能量。2）高静载荷加载型。如图2所示，此类冲击地压发生找不到明显的动载诱发源，主要因巷道上覆巨厚顶板导致两帮静载荷缓慢迁移，集聚达到动力失稳临界条件而发生冲击地压显现，非常隐蔽，灾害性更强。
以单一巷道一侧为例，其力学过程为由于巷道掘进，导致原来包括垂直应力、水平应力在内的均布载荷发生局部化集中调整，以垂直载荷为例，如图所示，自身静载荷集中区Ω处集聚能量EΩ，受到相邻巷道掘进或遇到构造，获得静载荷增量
E′Ω 加载，达到极限而发生动力失稳，并释放出剩余高速能量推动巷帮塑性区Γ、支护区S做功，表现出冲击地压显现。该模型的冲击地压发生能量判据为式（2）：∫ΩEΩdΩ+∫ΩE′ΩdΩ−∫ΓUΓdΓ−ES−EC(Ω + Γ)>0 (2) 式中，
E′Ω 为增量能量密度。3）高静载荷卸荷型。卸荷过程发生冲击地压可以用摩尔应力圆来揭示，如图3所示，煤体发生破坏除了增大σ1外，也可以通过减小σ3来完成摩尔应力圆与强度直线相切，从而达到破坏，此类冲击地压发生不是获得动、静载荷增量，而是本身处于较高水平的静载荷状态，由于约束载荷的瞬态降低而发生动力失稳。
![图 3 煤体偏应力破坏准则莫尔圆]()
图 3 煤体偏应力破坏准则莫尔圆Figure 3. Mohr circle of deviator stress failure criterion of coal mass以构造区的掘进工作面为例，建立工程力学模型如图4所示。其力学过程为处于构造区掘进的工作面本身处于覆岩顶板提供的高静载中，自身静载荷集中区Ω处集聚能量EΩ处于准平衡状态，受到煤壁的快速开挖，约束载荷降低明显，又没有支护等阻抗，静载荷集中带煤体因结构稳定性不足发生动力失稳，并释放出剩余高速能量推动巷帮塑性区Γ做功，表现出冲击地压显现。该模型的冲击地压发生能量判据为
![图 4 卸荷过程冲击力学模型[8]]()
∫ΩEΩdΩ−∫ΓUΓdΓ−EC(Ω + Γ)>0 (3) 1.2 井上、下顶板区域压裂卸压防冲理论基础
从前文分析可知，顶板控制型冲击地压发生的3种类型，煤层上覆采动范围内厚硬顶板是静载荷、动载荷的共性供给主体。煤层上方坚硬难垮顶板悬臂状态，产生的弯曲弹性能与其悬臂长度5次方成正比[3]。采掘工程活动造成载荷集中调整，都因为要承担上覆顶板载荷，一方面采动范围内厚硬顶板悬而不垮产生弯曲弹性能、压缩弹性能，提供了静载荷源；另一方面顶板悬臂到极限，瞬间垮断又产生动载荷源。从而找到了厚硬顶板是冲击地压卸压治理的主要影响因素，也是共性目标。
鉴于煤层顶板人为致裂后不可恢复，裂隙随采动响应更发育，卸压更长效；又因为巷道是我们防冲保护的重点区域，通过水平井区域水力压裂可实现巷道上覆围岩载荷区域性调整。因此，为使冲击地压丧失启动的重要载荷条件，以提供冲击启动载荷源的厚硬顶板为靶点，建立顶板井上下区域致裂卸压系统，通过井上下提前破坏冲击危险区域上覆顶板的完整性，使得回采前载荷向更完整顶板区域迁移；回采过程中厚硬顶板悬臂由长梁变短梁、大块变小块，从而为井下掘进、回采提供低应力作业环境。
2. 地面、井下顶板区域卸压防冲系统
煤层上覆采动范围内硬厚顶板是上述冲击地压共性关键诱发因素，根据保护层开采原理，类似于上保护层开采的工作面底板岩层裂隙发展范围，其裂隙相当于人工压裂裂隙，参照保护层有效距离50 m，结合冲击地压煤层传统断顶爆破经验及保护巷道支护措施，井上下压裂层位应在距离煤层60 m左右的厚硬岩层位置。而对于新建矿井，可在建设期，在煤层冲击危险性评估基础上开展地面竖井抵达目标顶板层位后，进行水平井压裂。对于生产矿井可以相对安全的井下大巷硐室为钻场采取千米钻井向目标顶板层位井下水平井压裂。
2.1 建设矿井地面井区域压裂顶板卸压系统
深部冲击地压矿井，例如高家堡煤矿建井期间，井筒打到位，3条开拓大巷刚揭露煤层就发生冲击地压。针对冲击地压矿井建设，可以采用图5所示的煤矿井上顶板区域卸压防冲系统，实现不建井、不掘巷，地面钻进竖井，目标层水平井区域压裂卸压，可实现冲击地压建设矿井“先压裂后建设”，为后期巷道掘进、工作面回采提供大范围低应力环境。
煤矿冲击地压井上顶板压裂防冲系统流程如图6所示。①钻井：采用旋转导向和实钻轨迹控制等关键技术在特定的靶点依次完成不同口径井身的施工。开钻至一定进尺后分别下套管，在套管与井壁的环形空间浇筑水泥，加固裸露的岩层孔壁。钻井过程进行地球物理测井，掌握地层地质参数，同时评估固井质量。②射孔：利用油管或电缆将射孔器下入压裂层位，通过压差使射孔弹爆炸而射穿套管和水泥环，使裂缝到达地层内一定深度，沟通压裂岩层与井筒,为压裂液压入地层提供畅通的通道。③压裂：射孔完毕，冲洗井筒。将连续油管与喷射工具联接后，深入井底，将封隔器做封，通过连续油管以一定排量和压力将压裂液压入目标岩层。本段压裂完毕，拖动油管后退式重复压裂剩余分段岩层。
![图 6 井上顶板区域压裂防冲系统流程]()
图 6 井上顶板区域压裂防冲系统流程Figure 6. Flow of pressure relief and scour prevention system in roof area of well2.2 生产矿井井下钻场区域压裂顶板卸压系统
针对部分矿井开拓、准备大巷群屡次冲击或者强冲击危险的采掘工作面，可在较为安全的钻场采用如图7所示的煤矿冲击地压井下顶板远程长效压裂防冲系统，进行长时效、远程防冲卸压，可实现“先压裂后掘进、先压裂后回采”新的灾害防治模式。本系统主要包括千米钻机、高压泵组、大流量水箱、变频器、远程控制台、引斜、封隔器、限流器等。
![图 7 井下顶板区域压裂防冲系统[24]]()
煤矿冲击地压井下压裂防冲系统流程如图8所示。①钻井：采用旋转导向和实钻轨迹控制等关键技术在特定的靶点完成井身的施工。钻井过程进行地球物理测井，掌握地层地质参数，同时评估固井质量。②压裂：通过压裂钻杆将压裂工具串深入井底，通过压差使封隔器做封，以一定排量和压力将压裂液压入目标岩层。本段压裂完毕，拖动钻杆后退式重复压裂剩余分段岩层。
![图 8 井下顶板区域压裂防冲系统流程]()
图 8 井下顶板区域压裂防冲系统流程Figure 8. Flow of pressure relief and anti scour system in roof area of underground mine3. 应用试验
3.1 地面水平井顶板区域压裂防冲系统试验
3.1.1 工程概况
某煤矿主采煤层平均厚度为16 m，埋深700 m，煤层顶板含多层砂岩，直接底板为铝土泥岩。经鉴定煤层具有强冲击倾向性，顶板具有弱冲击倾向性。
401101工作面作为矿井首采工作面，在该工作面回采过程中多次发生冲击地压显现。紧密接续的401102工作面回采过程中将受到401101工作面采空区顶板活动影响，经论证分析，401102工作面冲击符合动静载荷叠加型类型，其回采上覆坚硬顶板悬空面积进一步加大，对本工作面以及中央大巷冲击危险性影响也加大。为此，提出在401102工作面回采之前采用地面水平井顶板压裂防冲系统进行区域卸压。
3.1.2 系统方案与效果
1）试验方案。采用图5所示，煤矿冲击地压井上顶板远程长效卸压防冲系统，在矿井401盘区401102工作面东西侧各布置1口从地表开始的竖井-水平井，水平段轨迹北距401102工作面运输巷60 m，南距401102工作面回风巷120 m（图9）。从竖井开口点到着陆点存在造斜段。经充分论证目标层位确定为距离煤层68 m的砂岩层。西侧水平井着陆点位于距离工作面开切眼150 m处，东侧水平井着陆点位于工作面终采线；在两口水平末端之间布置一口参数井，获取地层孔渗特性、岩石力学参数、地应力剖面等，并为压裂工程提供关键参数，如图10所示。
![图 9 冲击地压井上区域压裂系统水平井布置]()
图 9 冲击地压井上区域压裂系统水平井布置Figure 9. Layout of horizontal well of relief system in upper area of rockburst![图 10 冲击地压井上区域压裂系统水平井参数]()
图 10 冲击地压井上区域压裂系统水平井参数Figure 10. Horizontal well parameters of regional pressure relief system on rockburst2）效果分析。图11为地面施工现场冲击地压井上压裂系统与设备图，整个区域压裂过程中采用了井上下微震、地音、应力及水质等全程监测。MC-01L井压裂井段共计16段，共计射孔38簇。施工排量8.0～10.3 m3/min，最高施工压力41.8 MPa。地面微震监测区域压裂参数如图12所示，微震事件不同颜色表示不同的压裂段。由图12可得，由于从压裂井开口位置到着陆点为造斜段，没有压裂，几乎没有微震事件，而压裂段微震事件频繁发生，由微震事件可判断压裂缝长为81～327 m，缝高37～59 m，带宽42～203 m。图13为区域压裂后，采用井下超深孔窥视仪检验压裂半径方案，其中1号、2号钻孔位置与图12中位置相对应。图14为钻孔窥视结果图。根据孔壁顺层间断破碎等情况判断，在距离水平井轴北侧65～85 m处，煤层上方59.90～81.22 m 以上（81.22 m处塌孔堵死无法测量）可见明显破碎裂隙，压裂缝高发育高度不小于21.32 m；在距离水平井轴北侧120～135 m处，煤层上方62.83～88.89 m顺钻孔方向间断可见较宽裂隙，局部破碎，压裂缝高为26.06 m。由此可以认为裂缝扩展半径不小于135 m，垂向扩展高度不小于21.32 m。
![图 11 冲击地压井上区域压裂系统与设备]()
图 11 冲击地压井上区域压裂系统与设备Figure 11. Pressure relief system and equipment in the upper area of rock burst![图 12 MC-01L井压裂前后微震事件分布范围]()
图 12 MC-01L井压裂前后微震事件分布范围Figure 12. Distribution range of fracturing microseismic events of well mc-01L![图 13 区域压裂半径钻孔窥视检验方案]()
图 13 区域压裂半径钻孔窥视检验方案Figure 13. Peep inspection scheme of regional fracturing radius borehole以地音监测结果为例，MC-01L井压裂期间井下地音系统累计监测事件20256起，总能量7.15×106 J。由图15可见，压裂期间地音活动强度远高于压裂前，最高可达到压裂前地音活动25倍，压裂促进近场围岩的能量释放。压裂后的地音活动强度虽低于压裂期间，但仍旧高于压裂前，说明压裂产生的扰动促使近场围岩应力调整，重新达到平衡过程释放了一定的能量。
图16为地面竖井-水平孔区域压裂前后工作面回采过程中支架压力对比。由图16明显看到自开切眼至工作面走向150 m区间为竖井向水平孔过渡阶段，为非压裂区域，工作面经历初次来压，4次周期来压，来压步距平均为26 m，来压阻力45 MPa，来压压力表现为应力云图达到应力梯度最高级，为红色显示。而工作面推进过150 m历程，进入区域压裂范围后，已经看不到明显的周期来压现象，支架工作阻力处于33 MPa左右，降低了27%，表明区域压力已经转移，支架上方压力降低显著，工作面实行上覆厚硬顶板区域压裂后，顶板裂隙发育，不再对工作面产生周期性来压作用。并且进入区域压裂区域，巷道、工作面煤壁平直，未再发生煤壁片帮、设备弹起、底鼓、锚索断裂等动力现象。
![图 16 压裂前后回采过程中工作面支架压力对比]()
图 16 压裂前后回采过程中工作面支架压力对比Figure 16. Comparison of support pressure of working face before and after fracturing3.2 井下巷道水平孔顶板区域压裂防冲系统试验
3.2.1 工程背景
某煤矿主采煤层厚度为15 m左右，开采深度为680 m，采用分层综放开采方式，全部垮落法管理顶板，煤层具有弱冲击倾向性，顶板具有弱冲击倾向性。40205工作面是矿井在402盘区布置的第5个工作面，工作面东侧为中央大巷及大巷保护煤柱区域，南侧为40204采空区，西侧为矿井西翼井田边界及保护煤柱，北侧为未开采区域。工作面可采走向长度1 898 m，倾向长度196 m，布置有运输巷、回风巷、开切眼及泄水巷共4条回采巷道，其中40205运输巷为邻空巷道，与相邻采空区之间区段煤柱宽度为44.5 m。工作面回采过程中沿空巷道超前支护区域多次发生冲击地压显现，微震事件定位显示大能量事件多数来至高位顶板，分析原因主要为煤层上覆坚硬顶板。为此，提出在40205工作面未回采区域采用井下水平井顶板压裂防冲系统进行区域卸压。
3.2.2 系统方案与效果
1）试验方案。由于40205工作面掘进、回采前顶板、煤层、底板都采取了深孔爆破或大直径钻孔卸压，分析认为井下局部卸压能力有限，卸压高度、区域难以满足防冲要求，回采过程中仍出现大能量冲击事件。采用图7所示，煤矿冲击地压井下顶板远程长效卸压防冲系统进行顶板井下水平井区域压裂卸压。
经千米钻机打钻实勘，如图17所示，煤层53.62 m上方赋存有13.47 m的高位砂岩关键层，并且未在井下爆破范围内，因此煤层上方58 m和63 m可作为井下超长孔压裂目标层位。
设计在40205机电设备硐室施工专用钻场、压裂硐室。1号压裂孔与运输巷水平距离为27 m，层位为煤层顶板上方58 m，2压裂孔切断运输巷侧向悬顶，与运输巷水平距离为8 m，层位为煤层顶板上方63 m，两孔间距约67 m。钻孔布置如图18所示。
![图 18 冲击地压井下区域压裂系统水平井布置]()
图 18 冲击地压井下区域压裂系统水平井布置Figure 18. Layout of horizontal well of pressure relief system in underground area of rock burst2）效果分析。图19为方案实施后，工作面进入压裂区域前后微震事件分布图，从纵坐标上看，进入压裂区域前工作面超前每20 m长度范围微震事件小于500个；进入压裂区域后工作面超前每20 m长度范围微震事件小于1 000个，表明超前压裂后，人造裂隙在矿压作用下，顶板破断低能高频微震事件增加明显。此外，微震事件定位超前工作面位置由压裂前300～580 m减短至240～440 m，表明高位顶板悬臂长度降低明显，工作面超前压力影响范围缩小。
相比方案实施前，工作面运输巷出口再未发生压架现象，工作面平均来压步距由压裂前的15 m变为压裂后的11 m，减小了27%。工作面运输巷两帮煤粉钻屑量日常监测数据平均降低达30%，运输巷超前影响范围再未发生冲击地压显现，目前工作面已安全回采结束。
4. 结 论
1）在冲击地压发生的条件分析基础上，指出顶板控制型冲击地压，其厚硬顶板是采掘围岩冲击地压启动的区域性静载荷、动载荷供给主体，可作为冲击地压区域卸压治理的主要目标。
2）为使冲击地压丧失启动的重要载荷条件，以提供冲击启动载荷源的硬厚顶板为靶点，建立了顶板井上、下区域压裂卸压系统，可实现冲击地压建设矿井“先压后建”；冲击地压生产矿井“先压后掘、先压后采”新的灾害防治模式，工程应用效果显著。
3）井上下顶板顺层钻孔区域压裂防冲系统独立于生产系统，可以地面，井下远程实施。通过井上下提前破坏冲击危险区域上覆顶板的完整性，使得回采前载荷向更完整顶板区域迁移；回采过程中厚硬顶板悬臂由长梁变短梁、大块变小块，从而为井下掘进、回采提供低应力作业环境。
3）分别进行了地面水平井、井下水平井顶板区域压裂防冲系统应用试验，实践证明井上下顶板区域压裂防冲方法形成连续性、体积状卸压带，卸压范围大、作用时效长、作业安全性强，弥补了井下局部卸压不足，区域性的提供低应力环境，也为采掘工作面提高推进度奠定基础。
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图 3 煤体偏应力破坏准则莫尔圆
Figure 3. Mohr circle of deviator stress failure criterion of coal mass
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图 6 井上顶板区域压裂防冲系统流程
Figure 6. Flow of pressure relief and scour prevention system in roof area of well
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图 8 井下顶板区域压裂防冲系统流程
Figure 8. Flow of pressure relief and anti scour system in roof area of underground mine
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图 9 冲击地压井上区域压裂系统水平井布置
Figure 9. Layout of horizontal well of relief system in upper area of rockburst
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图 10 冲击地压井上区域压裂系统水平井参数
Figure 10. Horizontal well parameters of regional pressure relief system on rockburst
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图 11 冲击地压井上区域压裂系统与设备
Figure 11. Pressure relief system and equipment in the upper area of rock burst
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图 12 MC-01L井压裂前后微震事件分布范围
Figure 12. Distribution range of fracturing microseismic events of well mc-01L
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图 13 区域压裂半径钻孔窥视检验方案
Figure 13. Peep inspection scheme of regional fracturing radius borehole
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图 16 压裂前后回采过程中工作面支架压力对比
Figure 16. Comparison of support pressure of working face before and after fracturing
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图 18 冲击地压井下区域压裂系统水平井布置
Figure 18. Layout of horizontal well of pressure relief system in underground area of rock burst
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![图 1 动静载荷叠加冲击力学模型[8]](/fileMTKXJS/journal/article/mtkxjs/2023/2/2022-0903-1.jpg)
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![图 2 加载过程冲击力学模型[8]](/fileMTKXJS/journal/article/mtkxjs/2023/2/2022-0903-2.jpg)
![图 4 卸荷过程冲击力学模型[8]](/fileMTKXJS/journal/article/mtkxjs/2023/2/2022-0903-4.jpg)
![图 7 井下顶板区域压裂防冲系统[24]](/fileMTKXJS/journal/article/mtkxjs/2023/2/2022-0903-7.jpg)
