牛鸿波，马小辉，郭燕珩，杨 刚，刘己盛
(1.陕西省煤层气开发利用有限公司，陕西 西安 710065；
2.陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西 咸阳 712000)
冲击地压作为深部矿井煤炭开采面临的主要动力灾害之一，已成为采矿界与岩石力学界亟待解决的世界性难题。我国目前采用的冲击地压防治技术主要有煤柱大直径钻孔、深孔爆破、煤层注水、顶板预裂等，这些技术均属于局部防冲技术，具有井下施工条件受限、工程量大、施工难度大、卸压效果不确定等问题，无法实现整个工作面范围内的上覆坚硬顶板区域性弱化，导致冲击地压事故不断发生。水力压裂技术作为石油、天然气开采领域的主要增产手段，目前在煤炭领域也得到了广泛应用，如煤层气抽采、坚硬顶板预裂、煤与瓦斯突出防治等[1，2]。近几年，我国山东、山西地区部分具有冲击地压灾害的矿井虽尝试应用地面水力压裂技术防治冲击地压，但均未取得防治效果，仍以传统的井下局部弱化方式为主[3-5]。
为降低回采期间坚硬顶板可能带来的冲击风险，保障煤炭资源的安全高效回采，陕西省煤层气开发利用有限公司联合孟村煤矿首次在401102工作面应用地面水平井分段压裂技术区域防治冲击地压，并取得阶段性成果，填补了国内同类型煤矿冲击地压超前区域治理的空白，实现了冲击地压由井下预防治理到地面源头消冲的突破。
孟村煤矿位于陕西黄陇侏罗纪煤田彬长矿区中西部，行政区划隶属于咸阳市长武县，设计年产量600万t。井田唯一可采煤层为侏罗系延安组4#煤层。401盘区首个回采工作面401101工作面回采期间出现了多次冲击地压显现，严重威胁人身安全[6]。
矿井未开拓的401102工作面南距401101工作面75m，西部切眼距离东部终采线长度约1600m，倾向长度180m；
4#煤层底板标高在+260～+310m之间，煤层倾角小于5°；
4#煤层附近钻孔揭露顶板埋深为686.86～737.31m，煤层厚度20.29～23.94m，平均厚度22.46m。根据地应力实测成果，孟村煤矿最大主应力为水平应力，在26～38MPa之间，局部区域应力值大于30MPa，属于高及超高应力区。
根据以往地质报告和附近钻孔揭露情况，401102工作面上覆地层岩性特征如下：
1)延安组：4#煤层顶板厚度27～39m，平均34m，岩性为浅灰～深灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩夹炭质泥岩及薄煤层。老顶为10～35m不等的单层砂岩或砂岩组合；
直接顶为黑色泥岩，厚度1～10m。
2)直罗组：揭露厚度27～35m，平均厚度31m，上部为泥岩夹砂岩，下部为砂岩夹砂质泥岩，底部为含砾中粗砂岩。底部砂岩厚度4～7m。
3)安定组：揭露厚度63～88m，平均厚度78m。岩性为砂质泥岩、中～粗粒砂岩，底部发育一层砂岩层，厚度4.6～22.5m。
3.1 地质因素
1)煤层埋深较大，孟村煤矿钻孔揭示大部分区域4#煤层超过700m，煤岩层本身具有冲击倾向性，已具备发生冲击地压的条件。
2)部分区域在安定组底部发育坚硬含砾中粗砂岩，厚度10m左右，发生断裂时极易诱发矿震型冲击地压。
3)地质构造较为复杂，401盘区已探明的断层3条，褶皱5条，受采掘扰动、采空区侧向支承应力等因素影响，易造成应力叠加。
3.2 开采技术条件
1)近年来，随着彬长矿区各矿井下开拓的延伸、采场的打开，成煤时期沉积形成的硬厚砂岩顶板难以随采随垮，造成采空区大范围悬顶，使采掘空间处于长期不稳定状态，成为目前矿井开采过程中诱发冲击地压灾害的主要原因之一。
2)对孟村煤矿发生在回采期间的冲击地压案例分析表明，工作面回采过后，煤层上方高位硬厚砂岩顶板大面积悬顶产生的采场集中静载和突然断裂产生的强烈动载是诱发冲击地压的两个重要因素，对冲击地压的发生影响较大[7，8]。
4.1 技术原理
针对传统煤层压裂方法的缺点，结合国内外对压裂方法的认识与实践，认为采用目标煤层顶板地面水平井分段压裂技术是解决冲击地压的有效方法，即把煤层顶板作为目标层，通过在目标岩层中实施水平井，并在水平段井壁上均匀射孔后对煤层顶板进行压裂，在目标岩层形成贯通的网状裂隙，如图1所示，实现对目标岩层的压裂卸压，改善煤层顶板的应力环境，在采掘前实现工作面范围内上覆坚硬顶板的整体弱化改造，大幅降低冲击地压致灾风险[9-11]。
4.2 防治技术措施
为实现401102工作面上覆岩层随回采及时垮落，充分考虑井场布置的地形条件、顶板硬厚岩层展布形态、水平井水力压裂裂缝扩展范围、已形成巷道的安全等因素，设计在401102工作面东、西侧各布置1口水平井(MC-01L、MC-02L)，井眼轨迹布置在工作面中部偏北30m，沿工作面走向展布，如图2所示。
由于采煤工作面长度约1.6km，而L型水平井水平段施工长度一般不超过1200m，为实现分段压裂后401102工作面裂缝展布范围满覆盖，设计水平段长度均为800m，两口井压裂段数分别为：MC-01L井16段、MC-02L井15段。
4.3 压裂目标层位
参考401102工作面附近104、179、M2-1、M3-2等钻孔资料，距离4#煤层顶板54～72m(平均64m范围内)的安定组底部发育一套含砾中粗砂岩，厚度10m左右，如图3所示；
根据以往岩石力学化验资料，该区域含砾中粗砂岩不易断裂，是形成坚硬顶板的主要岩层。根据压裂裂缝形态模拟，裂缝单向延伸长度约170m，裂缝高度约35～45m，结合 401102 工作面老顶、直接顶岩性特征，考虑方案可实施性，将水平段布置在安定组底部含砾中粗砂岩层。
4.4 分段压裂工艺优选
1)根据国内外水平井体积压裂施工成功经验，为更好地实现大排量体积压裂及复杂缝网的压裂目标，优选电缆泵送桥塞射孔联作压裂工艺技术[12]。
2)少簇和限流射孔工艺能够有效地提高压裂裂缝缝内净压力，促进人工压裂裂缝在平面上的有效延伸和扩展，达到压裂裂缝缝长的预期效果。两口水平井采用段间距50m，2簇射孔，簇间距15～25m，每簇1m，每米10孔的射孔参数对于压裂层段比较合理。射孔位置选择在伽马值低、密度值低、声波值高、固井质量好、狗腿度低的位置。
3)大排量施工有利于缝内净压力并促进压裂延伸，大液量有利于提高压裂造缝效果和改造缝网体积范围，因此采用10～12m3/min排量、1300～1500m3液量对于压裂层段比较合理。
4)根据401102工作面压裂情况，暂堵压裂工艺适合目的层储层，能够有效地降低滤失、封堵天然裂缝，促进主裂缝发育，极大程度地提高压裂效果，促使缝长的延伸。因此，采用“高粘活性胶+2次暂堵”压裂工艺或“高粘活性胶+交联冻胶+1次暂堵”压裂工艺，暂堵剂用量200kg/次。
5)根据401102工作面压裂情况，加砂量35～40m3为最优值，主要采用100目粉砂和40/70目石英砂，比例控制在3∶1～2∶1之间，可以起到明显地降低液体滤失，同时促进裂缝缝长延伸的作用。
地面水平井分段压裂期，利用地面微地震、井下微地震等监测手段对压裂期间人工裂缝的延伸范围及井下围岩的扰动情况进行全井段实时联合监测，相互验证人工裂缝延伸方位和长度，并对监测数据空间分布进行分析研究，为矿井的安全生产提供依据。
5.1 监测点布置
地面监测采集站、检波器采用覆盖目的层地面投影为主布设，MC-01L井共布设31个不动监测点，MC-02L井共布设30个不动监测点，每个检波器之间间隔80m；
同时在压裂区域布设井下微震，MC-01L井和MC-02L井采用7通道SOS和8通道ARAMIS监测系统，该系统通过统计整个矿井内微震事件的震源位置、发生时间、释放的能量，进而统计微震活动的强弱和频率，并结合微震事件分布的位置判断潜在的矿山动力灾害活动规律，通过识别矿山动力灾害活动规律实现危险性评价和预警，宏观划定危险区域[13-15]。
5.2 地面微震监测分析
MC-01L和MC-02L井在压裂过程中，地面微震系统累计进行了31段监测，单段缝长81～340m，平均缝长268m；
带宽42～203m，平均带宽80m；
缝高37～59m，平均缝高50m。压裂对煤层上方54m以上可能具有冲击致灾作用的粗粒砂岩(厚10m左右)具有良好的致裂效果，压裂期间井下部分瓦斯抽放钻孔出水量较大，说明垂向裂缝扩展效果较好。
将MC-01L和MC-02L共计31段的微震监测数投影在401102工作面上，分析压裂裂缝的整体空间分布特征。沿工作面走向方向上，MC-01L井设计压裂范围为401102工作面切眼前方220～957m(水平段着陆点位于原工作面切眼位置)，压裂缝网形成范围为工作面前方155～960m；
MC-02L井设计压裂范围为401102工作面切眼前方1024～1790m(水平段陆点位于401102工作面终采线位置，终采线位于切眼前方1713m)，压裂缝网形成范围基本上位于压裂区域内，如图4所示。从图4可以看出，除切眼前方0～155m和960～1024m共计约220m范围外，人工裂缝基本上有效覆盖了401102工作面及其巷道两侧30m内的煤柱区域，达到了压裂区域内目标岩层的弱化改性。
5.3 井下微震监测分析
MC-01L和MC-02L井压裂期间井下微震系统累计监测事件1749起，总能量2.5×106J。其中，E<102J及以下事件1106起，102J
5.4 “井上下”微震监测结果对比分析
通过对MC-01L和MC-02L井地面微震监测与井下微震监测的结果对比分析，两种监测方式的监测结果水平向分布具有相似性；
纵向分布具有一定差异性，但反映压裂效果均较明显。通常情况下，地面监测阵列相较于井下监测能够在水平方向上覆盖足够的监测方位角，理论上地面监测在水平方向上具有更高的定位精度[16]。同时，由于地面监测阵列与压裂区域相隔较远，地震波频率和振幅存在较大衰减，且精确的地层速度模型无法获得，因而地面监测纵向定位会存在一定误差。井下监测阵列基本与压裂微地震事件深度相近，根据检波器时差可准确定位微地震事件深度，理论上井下监测在纵向上具有更高的定位精度。因此，可以结合地面微震监测破裂事件的水平分布与井下微震监测破裂事件的垂向分布进行压裂效果分析与评价。
1)孟村煤矿是国内首家成功将地面水平井分段压裂技术应用于煤矿冲击地压防治领域的矿井，开创了煤炭行业在“井上下”立体联合治理冲击地压的先河。研究表明，地面水平井分段压裂技术具有压裂排量大、覆盖范围广、限制条件少、时效性长、减少井下作业人员等优点，与井下局部防冲治理措施相比具有无可比拟的优势，实现了冲击地压由井下预防治理到地面源头消冲的突破。
2)将水平段布置在4#煤层上方60～100m范围内单层厚度超过10m的坚硬岩层，实现对目标岩层的压裂卸压，有效改善煤层顶板的应力环境。压裂期间，采用全井段的地面微地震实时裂缝监测系统和井下微震监测评价系统相结合的方法有效指导压裂实施和压后效果评价。监测结果表明，地面水平井分段压裂有效促进了压裂区域高应力集中区能量的释放，对目标岩层弱化改造效果较好。
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