基于地震頻率諧振的采煤面高位巖層水力壓裂范圍探測
張修峰１，謝華東２，薛愛民３，蔡先鋒４，李阿濤１，張?jiān)茖?span style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: DY2; color: #000000; visibility: visible; overflow-wrap: break-word !important;">５
１．山東能源集團(tuán)有限公司沖擊地壓防治研究中心， 山東 濟(jì)南 ２５００１４；
２．兗礦能源集團(tuán)股份有限公司東灘煤礦， 山東 濟(jì)寧市 ２７３５００；
３．北京派特森科技股份有限公司， 北京 １０００８５；
４．河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測繪工程學(xué)院， 河北 邯鄲市 ０５６０３８；
５．兗礦能源集團(tuán)股份有限公司濟(jì)南煤炭科技研究院， 山東 濟(jì)南 ２５０１１
摘要：采煤工作面上覆高位堅(jiān)硬巖層的預(yù)裂可減弱其儲能條件，進(jìn)而控制礦震事件的能量。為探測埋藏深度超過５００ｍ的采煤工作面高位巖層水力壓裂裂隙的空間展布情況，采用三分量地震頻率諧振技術(shù)進(jìn)行裂隙空間展布探測。設(shè)計(jì)了６條頻率諧振檢波器布置探測線，在水力壓裂作業(yè)前后分別進(jìn)行探測，對獲取的探測器波形數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯。數(shù)據(jù)解譯結(jié)果表明：（１）水力壓裂裂隙空間展布呈類橢球體形，其長軸與地層最大主應(yīng)力方向基本一致；（２）水力壓裂范圍在水平方向上最大壓裂半徑可達(dá)５０ｍ 以 上，垂直方向上壓裂高度可達(dá)３０～５０ｍ；（３）水力壓裂所形成的應(yīng)力降低區(qū)域遠(yuǎn)大于裂紋擴(kuò)展區(qū)域；（４）水力壓裂裂紋擴(kuò)展受巖層賦存變化影響較大。研究表明，三分量地震頻率諧振技術(shù)能夠有效探測深部巖層水力壓裂裂隙空間展布，是一種適用的水力壓裂范圍探測技術(shù)手段。關(guān)鍵詞：采煤工作面；水力壓裂；高位巖層；地震頻率諧振；裂隙探測
內(nèi)容提綱
1 地震頻率諧振技術(shù)的原理和特點(diǎn)3 水力壓裂探測地震頻率諧振數(shù)據(jù)分析０ 引言
采煤工作面上覆堅(jiān)硬厚巖層積蓄的能量突然釋放時(shí)會引發(fā)礦震。工作面近場大能量礦震產(chǎn)生的動載可能誘發(fā)沖擊地壓，給煤礦安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的威脅。為控制礦震能量的集中程度，采用提前對堅(jiān)硬覆巖進(jìn)行預(yù)裂的方法，破壞其完整性，降低覆巖的儲能能力。探測高位水力壓裂裂隙空間展布可以用于評價(jià)高位關(guān)鍵巖層水力壓裂效果，進(jìn)而為研究水力壓裂方式控制礦震提供基礎(chǔ)。巖層預(yù)裂技術(shù)有爆破預(yù)裂和水力致裂，爆破預(yù)裂和水力致裂適用于距離采場較近的直接頂、基本頂?shù)葓?jiān)硬巖層預(yù)裂。趙社會等通過定向預(yù)裂爆破減弱或阻斷采空區(qū)與上方下位關(guān)鍵巖層間的力學(xué)聯(lián)系，達(dá)到卸壓預(yù)裂。趙善坤通過深孔頂板預(yù)裂爆破和頂板定向水力致裂破壞頂板完整性，實(shí)現(xiàn)了沖擊地壓防控的目的。歐陽振華等通過對煤層水力致裂前后煤粉鉆屑量、微震事件和煤體電磁輻射進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)水力壓裂能夠有效降低煤巖沖擊傾向性和煤巖體的強(qiáng)度，改變能量釋放速度、形式及支承壓力的分布狀態(tài)。趙善坤等研究了預(yù)裂縫傾角對厚硬砂巖頂板水力壓裂效果的影響，并在巴彥高勒煤礦厚層砂巖頂板水力致裂中應(yīng)用，結(jié)果表明，優(yōu)化后的預(yù)裂縫能有效起到防沖作用。劉文靜等對特厚堅(jiān)硬頂板實(shí)施水力壓裂，有效地控制了特厚煤層堅(jiān)硬頂板產(chǎn)生的高應(yīng)力集中和沖擊地壓問題。李浩男針對堅(jiān)硬頂板垮落困難的問題采用定向水力壓裂弱化頂板的方式實(shí)現(xiàn)頂板分層垮落，保證工作面回采安全。張軍磊等通過水力壓裂切頂?shù)姆绞礁纳屏粝锏膽?yīng)力狀態(tài)，降低了巷道維護(hù)的難度。對于工作面直接頂、基本頂、煤層的水力壓裂效果可采用鉆孔窺探儀、瞬變電磁法及微地震監(jiān)測等方法探測。周東平等提出基于瞬變電磁法的 煤礦井下煤層水力壓裂有效范圍監(jiān)測的方法。鄒立雙等在石壕煤礦開展了基于微地震監(jiān)測和瞬變電磁探測技術(shù)的煤層水力壓裂影響區(qū)域探測試驗(yàn)。趙 睿 等采用鉆孔瞬變電磁探測方法實(shí)現(xiàn)壓裂效果的檢測評價(jià)。袁永榜等提出了一種基于多頻同步電磁波層析成像技術(shù)的煤層水力壓裂范圍探測方法。對于深埋工作面高位巖層的水力壓裂范圍的探測，可采用微地震的方法，但是該方法需要將傳感器通過鉆孔固定在基巖上，當(dāng)表土層較厚時(shí)施工困難。地震頻率諧振技術(shù)施工簡便，只需將檢波器埋入松軟土地或放置在堅(jiān)硬的地面上即可，不需要打鉆埋設(shè)探頭。地震頻率諧振在探測深埋地層采空區(qū)及覆巖移動特征上曾有應(yīng)用。針對深埋煤層高位巖層壓裂范圍探測手段有限的情況，本文研究采用地震頻率諧振技術(shù)探測工作面高位巖層水力壓裂范圍。１ 地震頻率諧振技術(shù)的原理和特點(diǎn)
地震頻率諧振技術(shù)屬于被動源勘探，其原理是利用地球脈動等被動振動源產(chǎn)生的震動波從地層深處傳遞到地表時(shí)所攜帶的地質(zhì)信息來分析地下巖層。震動的頻率與巖層的固有頻率一致時(shí)，巖層將放大震動的幅度，也就是產(chǎn)生了諧振現(xiàn)象。地震頻率諧振技術(shù)與混合源面波勘探聯(lián)合作業(yè)和聯(lián)合解釋，其所生成的高精度圖像中不同的波阻抗比率值代表不同的地下地質(zhì)體結(jié)構(gòu)和屬性。該技術(shù)的特點(diǎn)主要有以下３個方面。（１）勘探深度大。如采用０．０５Ｈｚ檢 波 器，適當(dāng)加長采集時(shí)間，勘探深度可達(dá)到幾千米。（２）探測效率高。該技術(shù)應(yīng)用被動源地震方法及多次疊加技術(shù)，無需長時(shí)間觀測噪聲信息，大大減少了采集時(shí)間。（３）探測精度高，抗干擾能力強(qiáng)。該技術(shù)具有很強(qiáng)的抗非地質(zhì)噪音能力。２ 采煤工作面高位巖層水力壓裂的實(shí)施
２．１ 工作面、覆巖及礦震概況
東 灘 煤 礦 ６３上 ０３ 工 作 面 煤 層 底 板 標(biāo) 高 為－５８１．９～－７１５ｍ，平均為－６５０．３ｍ；地面平均標(biāo)高為＋４７．９１ｍ。本工作面頂板１５０ｍ 范圍內(nèi)共賦存３個關(guān)鍵層，自下而上，第一層為下石盒子組底界砂巖層，距３上 煤層頂板５０～７０ｍ，主要為中粗砂巖和細(xì) 砂 巖 互 層；第 二 層 為 上 侏 羅 統(tǒng) 底 界 附 近１０ ｍ厚砂巖層，距３上煤層頂板７０～１００ ｍ，主 要 為 中 砂巖和細(xì)砂巖；第三層為上侏羅統(tǒng)下段上亞段砂巖層，厚度約１７ｍ，距３上 煤層頂板１２０～１４０ｍ，主要為細(xì)砂巖和粉細(xì)砂巖。東灘煤礦６采區(qū)已回采了６３上０４、６３上０５兩個工作面，６３上０４工作面回采期間，共發(fā)生大能量震動事件３５次；６３上 ０５工作面回采期間，發(fā)生大能量震動事件５５次；６３上０３工作面目前共監(jiān)測到２．０級以上震動事件７次。微震震動事件發(fā)生位置與震動能量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，工作面附近震動主要以小能量震動事件為主，且大部分微震事件發(fā)生在工作面采空區(qū)及采空區(qū)后方，所有大能量事件均發(fā)生在工作面后方采空區(qū)內(nèi)高位頂板。對比第二、第三關(guān)鍵層的巖性和厚度，兩關(guān)鍵層巖性相近，第三關(guān)鍵層厚度更大，因此第三關(guān)鍵層蓄能條件更好，故認(rèn)為，引起工作面礦震的主要為第三關(guān)鍵層。２．２ 水力壓裂作業(yè)
壓裂以清水作為壓裂液，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的地層破裂壓力為１８．１０～２７．２６ＭＰａ，壓裂間距３０～５０ｍ，鉆孔中單段注水量不少于５０ｍ３。由于現(xiàn)場水力壓裂設(shè)備原因，１號鉆孔僅有效實(shí)施了前３段的壓裂作業(yè)（其中第２段壓裂時(shí)破裂后水壓低，未形成有效壓 裂），３段總長度為６２ｍ。其中，第１段破裂壓力為２８ＭＰａ，注水量為５１ｍ３；第２段破裂壓力為３２ＭＰａ，注水量僅９ｍ３；第３段壓裂最大壓力為３２ ＭＰａ，注 水 量 為５１ ｍ３；第４段壓裂時(shí)出現(xiàn)孔口反水，封隔器損壞，未繼續(xù)實(shí)施剩余段的壓裂。２．３ 水力壓裂裂隙范圍地面探測
根據(jù)引起礦震的關(guān)鍵層分析結(jié)果，選擇在第三關(guān)鍵層開展水力壓裂作業(yè)，初始布置１個壓裂孔，從工作面前方的聯(lián)絡(luò)巷開口鉆進(jìn)，斜向上鉆進(jìn)至目標(biāo)層位后施工平行煤層壓裂孔。１號孔實(shí)鉆軌跡如圖１所示。
為研究水力壓裂范圍的大小及裂隙空間展布情況，壓裂前后分別進(jìn)行１次震動數(shù)據(jù)采集作業(yè)。壓裂前進(jìn)行的是背景噪聲探測，為壓裂后裂隙的展布情況分析提供對比背景。根據(jù)１號鉆孔水平分布情況布置地面采集作業(yè)范圍，如圖２所示，自北向南共布置了６條監(jiān)測線，監(jiān)測點(diǎn)間排距為２０ｍ×２０ｍ，探測范圍為１００ｍ×４６０ｍ。每個監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)２臺三分量數(shù)字檢波器，如圖３所示。１號鉆孔的水平投影基本位于 Ｌ３、Ｌ４正中間。
３ 水力壓裂探測地震頻率諧振數(shù)據(jù)分析
３．１ １號壓裂孔目標(biāo)層位巖性特征分析
１號水力壓裂鉆孔的前３個壓裂段的水平層位基本位于－４５０～－５００ｍ，東灘煤礦地表平均標(biāo)高約為４３ｍ，目標(biāo)層位深度在４８３～５４３ ｍ 的 范 圍。根據(jù)圖４所示的東灘煤礦地質(zhì)鉆孔６Ｄ２柱狀圖分析可知，目標(biāo)層位由侏羅紀(jì)上統(tǒng)的中砂巖和細(xì)砂巖組成。由圖４可知，埋深３２０．００～５７８．３４ｍ范圍內(nèi)的巖層均為侏羅紀(jì)上統(tǒng)的砂巖層，其顏色為紅褐色，俗稱“紅層”。根據(jù)六采區(qū)其他工作面的開采實(shí)踐，“紅層”對礦震的產(chǎn)生起著十分重要的作用。因此，將該層位的巖層選作水力壓裂的目標(biāo)層位是合理的，尤其是厚度為５６．０７ｍ 的中砂巖，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，該中砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度為２３．０４～２５．７７ ＭＰａ，其上、下細(xì)砂巖層的單軸抗壓強(qiáng)度分別為４３．０４ＭＰａ和３９．１４ＭＰａ，均具有較好的彈性能儲存能力。
３．２１號孔壓裂前后目標(biāo)層位特征分析
１號孔只實(shí)施了前三段壓裂作業(yè)，其中第２段壓裂中，壓裂水壓未達(dá)到預(yù)計(jì)，分析認(rèn)為該段壓裂作業(yè)出現(xiàn)泄漏情況，壓裂失敗。根據(jù)三分量頻率諧振成圖，如圖５所示，結(jié)果表明，１號孔壓裂前后的目標(biāo)層段在６條測線上地球物理特征均有明顯變化，反映了地層壓裂以后的空間特征變化。
Ｌ１～Ｌ６各測線壓裂前后目標(biāo)層段地球物理變化特征如下。（１）壓裂段對應(yīng)區(qū)域低波阻抗比例區(qū)域明顯擴(kuò)大。壓裂前后目標(biāo)層段波阻抗比率成像對比圖見圖５。水力壓裂作業(yè)前目標(biāo)層位波阻抗率整體呈現(xiàn)層狀，而實(shí)施壓裂作業(yè)后目標(biāo)層對應(yīng)壓裂區(qū)段的波阻抗率出現(xiàn)一定程度的下降。波阻抗率降低區(qū)域覆蓋６條測線，并呈現(xiàn)２個錐形區(qū)域，表明裂紋擴(kuò)展覆蓋范圍（水平方向上垂直壓裂孔軸向）應(yīng)至少１００ｍ寬，也就是壓裂半徑達(dá)５０ｍ 以上。沿壓裂孔走向?qū)捯?span style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: DY2; color: #000000; overflow-wrap: break-word !important;">３０～５０ｍ為主，與壓裂分段長度基本相符。１號孔各測線壓開范圍統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表１。
（２）波阻抗比率降低區(qū)域呈現(xiàn)橢球體。壓裂作業(yè)導(dǎo)致壓裂區(qū)域的巖層完整性被破壞，進(jìn)而導(dǎo)致該區(qū)域巖層的固有頻率和震動波傳輸速率改變。如圖５所示，波阻抗比率降低區(qū)域呈現(xiàn)一定程度的圓形（或橢圓形），表明裂紋擴(kuò)展路徑以垂直壓裂鉆孔為主，且以水平展布為主，垂直方向上裂紋擴(kuò)展高度以１０～２０ｍ 為主，從而導(dǎo)致壓裂裂紋空間展布呈現(xiàn)橢球體。（３）波阻抗比率降低區(qū)域遠(yuǎn)大于壓裂裂紋擴(kuò)展范圍。如圖５所示，因壓裂作業(yè)形成的波阻抗比率降低區(qū)域呈現(xiàn)多層的橢圓形，分析認(rèn)為內(nèi)層的類橢球體區(qū)域?qū)儆诹严秾?dǎo)水區(qū)，裂紋擴(kuò)展范圍已覆蓋該區(qū)域。外層的類橢球殼屬于因裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致應(yīng)力降低而形成的低波阻抗區(qū)域，該區(qū)域尚不能導(dǎo)水。（４）裂紋擴(kuò)展范圍受地層覆層影響明顯。波阻抗比率降低區(qū)域整體上呈現(xiàn)橢圓球形，但測線Ｌ４所在區(qū)域的波阻抗比率降低范圍比更靠近壓裂鉆孔中心的測線Ｌ３所在區(qū)域的波阻抗比率降低范圍更小，如圖６所示，分析認(rèn)為是由于巖層賦存的不均一性導(dǎo)致的，且?guī)r層性質(zhì)對裂紋擴(kuò)展影響明顯。（５）根據(jù)東灘煤礦地應(yīng)力測試報(bào)告，六采區(qū)的最大水平主應(yīng)力為２４．９６～２７．１２ ＭＰａ，垂直應(yīng)力１７．３７～１８．４７ＭＰａ，水平最小主應(yīng)力為９．６９～１０．５６ＭＰａ，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)?span style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: DY2; color: #000000; overflow-wrap: break-word !important;">１４８．９３°～１５０．００°。根據(jù)水力壓裂相關(guān)理論，裂縫通常垂直于最小主應(yīng)力方向延伸，也就是沿著最大主應(yīng)力方向即最大水平主應(yīng)力方向。本文所述壓裂監(jiān)測到的裂紋擴(kuò)展方向與六采區(qū)最大水平主應(yīng)力方向大致相同，進(jìn)而驗(yàn)證了頻率諧振技術(shù)在深層地層探測方面的適用性。４ 結(jié)論
（１）因?yàn)樗毫哑茐牧嗽袔r層的整體性，對比水力壓裂作業(yè)前后所得到的波阻抗比率圖像，目標(biāo)巖層段波阻抗比值產(chǎn)生明顯變化，探測到的水力壓裂裂紋擴(kuò)展方向與最小主應(yīng)力方向基本垂直，表明三分量地震頻率諧振技術(shù)為探測深層地下水力壓裂效果提供了一種簡便有效的方法。（２）水力壓裂作業(yè)會導(dǎo)致目標(biāo)巖層產(chǎn)生裂隙，通過分析水力壓裂后每條測線上波阻抗比率圖像可以發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)巖層水力壓裂區(qū)域的波阻抗比率均呈類同心橢圓形，該橢圓的長軸與目標(biāo)巖層的走向一致，這與水力壓裂形成的裂紋擴(kuò)展規(guī)律相吻合，形象地展示了層狀巖層水力壓裂裂紋擴(kuò)展的特征。（３）地震頻率諧振技術(shù)中波阻抗比率變化與巖石應(yīng)力狀態(tài)、巖石完整性等方面的實(shí)驗(yàn)室研究尚有待深入開展，以便為頻率諧振技術(shù)提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。原文來源：礦業(yè)研究與開發(fā).２０２３年２月.第４３卷 第２期
DOI:10.13827/j.cnki.kyyk.2023.02.011
