基于地震频率谐振的采煤面高位岩层水力压裂范围探测
张修峰１，谢华东２，薛爱民３，蔡先锋４，李阿涛１，张云宁５
１．山东能源集团有限公司冲击地压防治研究中心， 山东 济南 ２５００１４；
２．兖矿能源集团股份有限公司东滩煤矿， 山东 济宁市 ２７３５００；
３．北京派特森科技股份有限公司， 北京 １０００８５；
４．河北工程大学 矿业与测绘工程学院， 河北 邯郸市 ０５６０３８；
５．兖矿能源集团股份有限公司济南煤炭科技研究院， 山东 济南 ２５０１１
摘要：采煤工作面上覆高位坚硬岩层的预裂可减弱其储能条件，进而控制矿震事件的能量。为探测埋藏深度超过５００ｍ的采煤工作面高位岩层水力压裂裂隙的空间展布情况，采用三分量地震频率谐振技术进行裂隙空间展布探测。设计了６条频率谐振检波器布置探测线，在水力压裂作业前后分别进行探测，对获取的探测器波形数据进行解译。数据解译结果表明：（１）水力压裂裂隙空间展布呈类椭球体形，其长轴与地层最大主应力方向基本一致；（２）水力压裂范围在水平方向上最大压裂半径可达５０ｍ 以 上，垂直方向上压裂高度可达３０～５０ｍ；（３）水力压裂所形成的应力降低区域远大于裂纹扩展区域；（４）水力压裂裂纹扩展受岩层赋存变化影响较大。研究表明，三分量地震频率谐振技术能够有效探测深部岩层水力压裂裂隙空间展布，是一种适用的水力压裂范围探测技术手段。关键词：采煤工作面；水力压裂；高位岩层；地震频率谐振；裂隙探测
内容提纲
０ 引言
采煤工作面上覆坚硬厚岩层积蓄的能量突然释放时会引发矿震。工作面近场大能量矿震产生的动载可能诱发冲击地压，给煤矿安全生产带来严重的威胁。为控制矿震能量的集中程度，采用提前对坚硬覆岩进行预裂的方法，破坏其完整性，降低覆岩的储能能力。探测高位水力压裂裂隙空间展布可以用于评价高位关键岩层水力压裂效果，进而为研究水力压裂方式控制矿震提供基础。岩层预裂技术有爆破预裂和水力致裂，爆破预裂和水力致裂适用于距离采场较近的直接顶、基本顶等坚硬岩层预裂。赵社会等通过定向预裂爆破减弱或阻断采空区与上方下位关键岩层间的力学联系，达到卸压预裂。赵善坤通过深孔顶板预裂爆破和顶板定向水力致裂破坏顶板完整性，实现了冲击地压防控的目的。欧阳振华等通过对煤层水力致裂前后煤粉钻屑量、微震事件和煤体电磁辐射进行对比，发现水力压裂能够有效降低煤岩冲击倾向性和煤岩体的强度，改变能量释放速度、形式及支承压力的分布状态。赵善坤等研究了预裂缝倾角对厚硬砂岩顶板水力压裂效果的影响，并在巴彦高勒煤矿厚层砂岩顶板水力致裂中应用，结果表明，优化后的预裂缝能有效起到防冲作用。刘文静等对特厚坚硬顶板实施水力压裂，有效地控制了特厚煤层坚硬顶板产生的高应力集中和冲击地压问题。李浩男针对坚硬顶板垮落困难的问题采用定向水力压裂弱化顶板的方式实现顶板分层垮落，保证工作面回采安全。张军磊等通过水力压裂切顶的方式改善留巷的应力状态，降低了巷道维护的难度。对于工作面直接顶、基本顶、煤层的水力压裂效果可采用钻孔窥探仪、瞬变电磁法及微地震监测等方法探测。周东平等提出基于瞬变电磁法的 煤矿井下煤层水力压裂有效范围监测的方法。邹立双等在石壕煤矿开展了基于微地震监测和瞬变电磁探测技术的煤层水力压裂影响区域探测试验。赵 睿 等采用钻孔瞬变电磁探测方法实现压裂效果的检测评价。袁永榜等提出了一种基于多频同步电磁波层析成像技术的煤层水力压裂范围探测方法。对于深埋工作面高位岩层的水力压裂范围的探测，可采用微地震的方法，但是该方法需要将传感器通过钻孔固定在基岩上，当表土层较厚时施工困难。地震频率谐振技术施工简便，只需将检波器埋入松软土地或放置在坚硬的地面上即可，不需要打钻埋设探头。地震频率谐振在探测深埋地层采空区及覆岩移动特征上曾有应用。针对深埋煤层高位岩层压裂范围探测手段有限的情况，本文研究采用地震频率谐振技术探测工作面高位岩层水力压裂范围。１ 地震频率谐振技术的原理和特点
地震频率谐振技术属于被动源勘探，其原理是利用地球脉动等被动振动源产生的震动波从地层深处传递到地表时所携带的地质信息来分析地下岩层。震动的频率与岩层的固有频率一致时，岩层将放大震动的幅度，也就是产生了谐振现象。地震频率谐振技术与混合源面波勘探联合作业和联合解释，其所生成的高精度图像中不同的波阻抗比率值代表不同的地下地质体结构和属性。该技术的特点主要有以下３个方面。（１）勘探深度大。如采用０．０５Ｈｚ检 波 器，适当加长采集时间，勘探深度可达到几千米。（２）探测效率高。该技术应用被动源地震方法及多次叠加技术，无需长时间观测噪声信息，大大减少了采集时间。（３）探测精度高，抗干扰能力强。该技术具有很强的抗非地质噪音能力。２ 采煤工作面高位岩层水力压裂的实施
２．１ 工作面、覆岩及矿震概况
东 滩 煤 矿 ６３上 ０３ 工 作 面 煤 层 底 板 标 高 为－５８１．９～－７１５ｍ，平均为－６５０．３ｍ；地面平均标高为＋４７．９１ｍ。本工作面顶板１５０ｍ 范围内共赋存３个关键层，自下而上，第一层为下石盒子组底界砂岩层，距３上 煤层顶板５０～７０ｍ，主要为中粗砂岩和细 砂 岩 互 层；第 二 层 为 上 侏 罗 统 底 界 附 近１０ ｍ厚砂岩层，距３上煤层顶板７０～１００ ｍ，主 要 为 中 砂岩和细砂岩；第三层为上侏罗统下段上亚段砂岩层，厚度约１７ｍ，距３上 煤层顶板１２０～１４０ｍ，主要为细砂岩和粉细砂岩。东滩煤矿６采区已回采了６３上０４、６３上０５两个工作面，６３上０４工作面回采期间，共发生大能量震动事件３５次；６３上 ０５工作面回采期间，发生大能量震动事件５５次；６３上０３工作面目前共监测到２．０级以上震动事件７次。微震震动事件发生位置与震动能量统计结果表明，工作面附近震动主要以小能量震动事件为主，且大部分微震事件发生在工作面采空区及采空区后方，所有大能量事件均发生在工作面后方采空区内高位顶板。对比第二、第三关键层的岩性和厚度，两关键层岩性相近，第三关键层厚度更大，因此第三关键层蓄能条件更好，故认为，引起工作面矿震的主要为第三关键层。２．２ 水力压裂作业
压裂以清水作为压裂液，根据经验公式计算的地层破裂压力为１８．１０～２７．２６ＭＰａ，压裂间距３０～５０ｍ，钻孔中单段注水量不少于５０ｍ３。由于现场水力压裂设备原因，１号钻孔仅有效实施了前３段的压裂作业（其中第２段压裂时破裂后水压低，未形成有效压 裂），３段总长度为６２ｍ。其中，第１段破裂压力为２８ＭＰａ，注水量为５１ｍ３；第２段破裂压力为３２ＭＰａ，注水量仅９ｍ３；第３段压裂最大压力为３２ ＭＰａ，注 水 量 为５１ ｍ３；第４段压裂时出现孔口反水，封隔器损坏，未继续实施剩余段的压裂。２．３ 水力压裂裂隙范围地面探测
根据引起矿震的关键层分析结果，选择在第三关键层开展水力压裂作业，初始布置１个压裂孔，从工作面前方的联络巷开口钻进，斜向上钻进至目标层位后施工平行煤层压裂孔。１号孔实钻轨迹如图１所示。
为研究水力压裂范围的大小及裂隙空间展布情况，压裂前后分别进行１次震动数据采集作业。压裂前进行的是背景噪声探测，为压裂后裂隙的展布情况分析提供对比背景。根据１号钻孔水平分布情况布置地面采集作业范围，如图２所示，自北向南共布置了６条监测线，监测点间排距为２０ｍ×２０ｍ，探测范围为１００ｍ×４６０ｍ。每个监测点埋设２台三分量数字检波器，如图３所示。１号钻孔的水平投影基本位于 Ｌ３、Ｌ４正中间。
３ 水力压裂探测地震频率谐振数据分析
３．１ １号压裂孔目标层位岩性特征分析
１号水力压裂钻孔的前３个压裂段的水平层位基本位于－４５０～－５００ｍ，东滩煤矿地表平均标高约为４３ｍ，目标层位深度在４８３～５４３ ｍ 的 范 围。根据图４所示的东滩煤矿地质钻孔６Ｄ２柱状图分析可知，目标层位由侏罗纪上统的中砂岩和细砂岩组成。由图４可知，埋深３２０．００～５７８．３４ｍ范围内的岩层均为侏罗纪上统的砂岩层，其颜色为红褐色，俗称“红层”。根据六采区其他工作面的开采实践，“红层”对矿震的产生起着十分重要的作用。因此，将该层位的岩层选作水力压裂的目标层位是合理的，尤其是厚度为５６．０７ｍ 的中砂岩，根据实验室试验，该中砂岩的单轴抗压强度为２３．０４～２５．７７ ＭＰａ，其上、下细砂岩层的单轴抗压强度分别为４３．０４ＭＰａ和３９．１４ＭＰａ，均具有较好的弹性能储存能力。
３．２１号孔压裂前后目标层位特征分析
１号孔只实施了前三段压裂作业，其中第２段压裂中，压裂水压未达到预计，分析认为该段压裂作业出现泄漏情况，压裂失败。根据三分量频率谐振成图，如图５所示，结果表明，１号孔压裂前后的目标层段在６条测线上地球物理特征均有明显变化，反映了地层压裂以后的空间特征变化。
Ｌ１～Ｌ６各测线压裂前后目标层段地球物理变化特征如下。（１）压裂段对应区域低波阻抗比例区域明显扩大。压裂前后目标层段波阻抗比率成像对比图见图５。水力压裂作业前目标层位波阻抗率整体呈现层状，而实施压裂作业后目标层对应压裂区段的波阻抗率出现一定程度的下降。波阻抗率降低区域覆盖６条测线，并呈现２个锥形区域，表明裂纹扩展覆盖范围（水平方向上垂直压裂孔轴向）应至少１００ｍ宽，也就是压裂半径达５０ｍ 以上。沿压裂孔走向宽以３０～５０ｍ为主，与压裂分段长度基本相符。１号孔各测线压开范围统计结果见表１。
（２）波阻抗比率降低区域呈现椭球体。压裂作业导致压裂区域的岩层完整性被破坏，进而导致该区域岩层的固有频率和震动波传输速率改变。如图５所示，波阻抗比率降低区域呈现一定程度的圆形（或椭圆形），表明裂纹扩展路径以垂直压裂钻孔为主，且以水平展布为主，垂直方向上裂纹扩展高度以１０～２０ｍ 为主，从而导致压裂裂纹空间展布呈现椭球体。（３）波阻抗比率降低区域远大于压裂裂纹扩展范围。如图５所示，因压裂作业形成的波阻抗比率降低区域呈现多层的椭圆形，分析认为内层的类椭球体区域属于裂隙导水区，裂纹扩展范围已覆盖该区域。外层的类椭球壳属于因裂纹扩展导致应力降低而形成的低波阻抗区域，该区域尚不能导水。（４）裂纹扩展范围受地层覆层影响明显。波阻抗比率降低区域整体上呈现椭圆球形，但测线Ｌ４所在区域的波阻抗比率降低范围比更靠近压裂钻孔中心的测线Ｌ３所在区域的波阻抗比率降低范围更小，如图６所示，分析认为是由于岩层赋存的不均一性导致的，且岩层性质对裂纹扩展影响明显。（５）根据东滩煤矿地应力测试报告，六采区的最大水平主应力为２４．９６～２７．１２ ＭＰａ，垂直应力１７．３７～１８．４７ＭＰａ，水平最小主应力为９．６９～１０．５６ＭＰａ，最大水平主应力方向为１４８．９３°～１５０．００°。根据水力压裂相关理论，裂缝通常垂直于最小主应力方向延伸，也就是沿着最大主应力方向即最大水平主应力方向。本文所述压裂监测到的裂纹扩展方向与六采区最大水平主应力方向大致相同，进而验证了频率谐振技术在深层地层探测方面的适用性。４ 结论
（１）因为水力压裂破坏了原有岩层的整体性，对比水力压裂作业前后所得到的波阻抗比率图像，目标岩层段波阻抗比值产生明显变化，探测到的水力压裂裂纹扩展方向与最小主应力方向基本垂直，表明三分量地震频率谐振技术为探测深层地下水力压裂效果提供了一种简便有效的方法。（２）水力压裂作业会导致目标岩层产生裂隙，通过分析水力压裂后每条测线上波阻抗比率图像可以发现，目标岩层水力压裂区域的波阻抗比率均呈类同心椭圆形，该椭圆的长轴与目标岩层的走向一致，这与水力压裂形成的裂纹扩展规律相吻合，形象地展示了层状岩层水力压裂裂纹扩展的特征。（３）地震频率谐振技术中波阻抗比率变化与岩石应力状态、岩石完整性等方面的实验室研究尚有待深入开展，以便为频率谐振技术提供试验基础。原文来源：矿业研究与开发.２０２３年２月.第４３卷 第２期
DOI:10.13827/j.cnki.kyyk.2023.02.011
