摘要
针对我国目前冲击地压防治工程人员身处冲击危险区域，无法实现区域先行、超前治理的局面，论文提出了矿井冲击地压关键层远程钻孔水力压裂防治技术。分析了我国冲击地压矿井的地质条件和近几年重大冲击地压灾害的特点，认为华北石炭—二叠系煤田和侏罗系煤田很多冲击地压煤矿煤层上覆地层，普遍发育厚层坚硬的砂岩关键层，能量的释放符合冲击地压形成的“3因素”理论。经论证，关键层脆性强，硬度大，易于压裂，利用水力压裂法解除地应力是合适的；井下长钻孔、地面深孔和地面导斜钻孔的施工技术和钻孔水力压裂技术已成熟，实现远程钻孔水力压裂区域性的防治冲击地压是可行的。工业性试验显示，井下长钻孔顺层分段水力压裂长度可达800 m，水压可达40 MPa，裂缝半径为40 m；地面垂直钻孔分段压裂深度可达3000 m，压裂段高>100 m，压力达80 MPa，裂缝半径为100~200 m；地面导斜钻孔水平顺层段长度达1000 m，压力达80 MPa，裂缝半径为100~150 m；压裂前后煤体应力或支架压力的检测数据对比显示，压裂后的应力较压裂前降低了10 MPa以上，满足区域治理的要求，钻孔远程水力压裂在防治冲击地压上较传统方法具有显著超前优势、区域优势、效率优势、安全优势和环保优势，可以做到冲击地压防治区段的无人化，满足区域先行、超前治理的国家要求。
煤矿冲击地压关键层远程水力压裂是指在冲击地压危险区以外对煤层顶板关键层采用钻孔水力压裂解除地应力，进而解危冲击地压的技术。国家《防治煤矿冲击地压细则》第五十四条指出“冲击地压危险区域实施解危措施时，必须撤出冲击地压危险区域所有与防冲施工无关的人员……”。这说明在冲击地压危险区从事冲击地压解危的工作人员已经处于危险境地。2018年10月20日，山东龙郓煤业发生冲击地压灾害，21名遇难者就是冲击地压防治人员。因此探索冲击地压危险区的冲击地压解危方法是实现危险区无人化、保障包括防冲人员在内的井下工作人员安全的有效途径。
我国科技人员对矿井冲击地压的防治研究已经有70年的历
图1 矿井冲击地压解危技术构成
被动防护主要是支护和防护方法。通过采用“四高”锚杆（索）支护，结合套管和注浆技术，有效抑制巷道的变形，增加劣化煤岩体的完整性，在围岩中形成预应力抗冲击支护结
目前，上述方法已广泛应用于矿山地压防治中，但是缺点是防治工程都必须在冲击地压的危险区开展，使得解危的工程技术人员处于危险之中。因此中煤科工集团北京研究院、西安研究院和中煤地质集团等单位率先开展了冲击地压远程钻孔水力压裂区域防治研究，分别在鄂尔多斯布尔台煤矿、山东东滩煤矿进行了工业性试验，取得了实质性成果。
水力压裂最早起源于1947年美国堪萨斯州霍顿气田的Kelpper-1井的增
在理念研究方面，1981年，黄荣博教授研究了地层的起裂压力并给出了计算公
在应用实践方面，几十年间已经有超过150多万井次压裂作
压裂效果观测与评价也取得了同步发展。目前国内外采用的压裂裂缝监测方法主要有大地电位
总之，经过70多年的发展，水力压力从压裂机理、压裂技术到检测技术和评价方法形成了一套完整的技术体系。
目前我国尚无冲击地压分类标准，但齐庆新等提出的冲击地压成因的“3因素”理
关键层是顶板存在难以垮落的坚硬地层，易聚集地应力。我国华北煤田新汶、巨野矿区顶板发育着巨厚的砂岩顶板，义马、鄂尔多斯、新疆准东矿区都发育着巨厚的侏罗—白垩系砂岩地产，均构成关键层，因此，冲击地压频繁发生，严重地威胁着矿井的安全生产。
关键层难以垮落或弯曲，极易出现较大的空顶距。据公式分析，弹性能和岩层的空顶长度的5次方呈正比：
| （1） |
式中：——顶板弯曲弹性能；q——顶板质量与上覆岩层附加荷载的单位长度折算荷载；J——顶板的断面惯矩；E——岩层的杨氏模量；L——空顶距。
上式显示，弹性能和L的5次方呈正比。一般来说，厚度越大的岩层，越不容易垮落，空顶距L也越大，厚层砂岩和火成岩床的厚度都很大，因此关键层是冲击地压形成的关键因素。
“3因素”理论认为，区域方法是冲击地压防控的首选方法，能够改变“应力因素”和“结构因素”。除了对开采工作面进行合理的布局外，就是通过对矿井或采区的坚硬厚岩层实施地面或井下断裂，使煤岩体承载结构发生改变，实现对“结构因素”的控制，使得顶板应力无法集中。当然，实施顶板断裂的同时，也改变了其积聚弹性能的能力，在一定程度上“物性因素”也得到了控制。通常情况下，区域防控方法大多是在开拓前开展的工作，从矿井及采区等尺度上开展防控工作，以达到冲击危险区的远程防治目的。顶板关键层区域远程钻孔水力压裂是实现这一目标的最佳方法。
华北煤田许多冲击地压的煤矿都具备坚硬顶板厚层砂岩的地质条件，都是采后大面积悬顶使得弹性能大幅度聚集。部分冲击地压煤矿顶板的关键层如
（1）2017年1月17日，中煤担水沟煤业10人死亡事故。事故的地质因素：①顶板存在着厚层砂岩关键层；②上下煤层工作面叠置，布局集中，造成应力叠加；③工作面巷道压力大，变形严重时未采取措施。
（2）2017年11月11日沈阳红阳三矿10人死亡事故。事故的地质因素：①深度大，西三上采区702 综采工作面开采深度为1082 m，原岩应力高；②煤层具有冲击倾向性；③靠近Fh1、Fh2、Fh3、Fh4、Fh21断层；④702 回风顺槽与北二703 采区之间煤柱宽度32m，及702 综采工作面采动（已推进1740 m）等应力叠加影响，使事故区域形成高应力集中区。
（3）2018年10月20日山东龙郓煤业21人死亡事故。事故的地质因素：①3煤层及其顶底板具有冲击倾向；事故区埋深达1027~1067 m；③存在砂岩关键层；③3煤层的两分叉煤层合并造成开采厚度增加；④巷道临近贯通，形成应力集中区；⑤井下卸压钻孔诱发冲击地压；⑥开采布局不合理造成局部应力集中。
（4）山东新巨龙煤矿2020年2月22日4人死亡事故。事故的地质因素：①FD8断层与深度为985~1010 m的工作面形成的三角区应力集中；②上覆岩层存在厚层为18~40 m砂岩关键层；③大区域构造应力调整及开采扰动作用，2020年以来，鲁西南地区近南北向断裂带（长垣断裂、中牟断裂、曹县断裂、巨野断裂等）地震活动频繁，工作面推采接近 FD8与FD6 断层形成的楔形地堑结构区域，构造应力调整和工作面推采扰动，导致地堑区域岩层沿高倾角断层面滑移。
（5）2019年6月9日吉林省龙家堡矿业冲击地压9人遇难灾害。事故的地质因素：①煤层及顶板均具有冲击倾向性（顶板存在砂岩关键层）；②事故区域煤层平均埋深大；③因断层造成水平构造应力增高；④周围采掘活动造成大范围区域应力升高。
上述5个煤矿案例中，4个煤矿存在着顶板砂岩关键层，1名遇难者是冲击地压防治人员，可见远程治理的重要性。
试验矿井的主采煤层为侏罗系延安组4-2煤。煤层埋深450~475 m，老顶发育24 m细砂岩，坚硬难垮。回采过程中，顶板悬顶面积大，来压强度高，工作面巷道底鼓及煤壁片帮严重，工作面支架出现压死、爆缸现象。采用井下长钻孔水力压裂防治技术，设计4个钻孔覆盖工作面，钻孔长393~486 m，单孔压裂5段，孔径120 mm，工程剖面如
图2 某煤矿42106-1工作面井下钻孔水力分段压裂剖面
压裂前后周期来压分别为51 MPa和40 MPa，如
图3 压裂前支架压力显现
图4 压裂后支架压裂显现
试验矿井煤层顶板存在巨厚的砂岩难以垮落，时常造成矿压显现，被评价为冲击地压矿井。关键层的层位如
图5 地面钻孔水力压裂地层适用条件
本区域靠近压裂钻孔的最大水平地应力方向为NE150°。一号井的三段压裂层段为：第一段424~530 m，第二段325~424 m，第三段194~325 m。
对压前和压后分别测量了井眼温度。由于压裂液温度（4°C）远低于地层原始温度，使得压裂前后井眼温度发生变化。424~530 m层段压裂后测得井温曲线如
图6 424~530 m井段压裂前后井温曲线
同样，325~424 m层段压裂后测得井温曲线显示裂缝高度范围为200~380 m，194~325 m层段压裂后测得井温曲线显示裂缝高度范围为170~315 m。
压裂前后煤体压力降低了10.02~12.22 MPa，没有出现片帮、缩帮或底鼓等地压显现。
（1）地质条件优势。地面钻孔水力压裂是将高压水大流量地压入关键层，使关键层开裂、裂缝扩展。地层的脆性越大，裂缝开展得越好。关键层破裂就消除或减弱了其在开采期间的应力集中程度，使煤体应力始终处于冲击地压发生的临界应力之下。国家《冲击地压测定、检测与治理方法》规定单一顶板弯曲能量指数按下式计算：
| （2） |
式中：——单一顶板弯曲能量指数，kJ——岩石的抗拉强度，MPa；h——单一顶板厚度，m；E——岩石的弹性模量，MPa。
可以看出，抗张强度Rt对弯曲能量指数的影响最大，降低Rt的值就可以降低顶板岩石冲击倾向性的等级。水力压裂法功能可消除顶板的Rt值，使其聚集不了弯曲能量。这样，在开采冲击地压煤层前就使采区、工作面冲击倾向性降为最低等级。
（2）超前和区域治理优势。国家《防治煤矿冲击地压细则》第十九条规定冲击地压防治应当坚持“区域先行、局部跟进、分区管理、分类防治”的原则。第五十六条规定“在矿井设计、采（盘）区设计阶段应当先行采取区域防冲措施……”。根据山东东滩煤矿和鄂尔多斯布尔台煤矿地面水力压裂效果，裂缝顺层压裂半径>150 m，一个水平压裂钻孔可以覆盖一个工作面，如
图9 5218工作面水力压裂钻孔布置
（3）治理效率优势。传统的对顶板关键层弯曲能量解除深孔爆破法，由于爆破致裂半径仅为0.75 m，孔间距约为1.5 m，因此破坏顶板需要大量的爆破钻孔。
传统钻孔水力压裂法，裂缝的半径长度一般为4~5 m，中煤间距8~10 m，井下水力压裂法破碎顶板也需要大量的钻孔。
井下导斜钻孔顺层压裂法，裂缝长度为40~60 m，是传统方法的10倍。对于一个工作面需要2个钻孔。
地面导斜钻孔水力压裂法，裂缝半径>150~200 m，是充填方法的30~40倍。一个工作面仅需一个钻孔。1个垂深1000 m，顺层水平长度为1000 m的钻孔，可以在1周时间完成施工；5 d可以完成压裂是充填方法的，所需时间为充填方法的1/26。
（4）安全优势。由于传统冲击地压解危方法使得工作人员身处危险区，人身安全难以保障。远程钻孔区域水力压裂解除冲击地压可使工作人员远离危险区，不受冲击地压的威胁。地面压裂工程虽然具有80 MPa以上的水压，但在压裂期间，压裂现场室外保持无人状态，因此施工安全得以保障。
（5）环保优势。远程钻孔区域水力压裂使用清水为压裂液，对地面和地层都没有污染。钻孔冲洗液的处理在以往的工程中已经有了成熟的方法，不会造成污染。
（6）效果检验优势。效果检验采用宜采用微震检测法。该方法能够实时检测压裂缝的扩展范围，如果压裂缝半长不满足设计要求，则可以最大压力，若仍不满足要求，则表明漏水严重，可以判断岩层裂隙发育，不具备聚集地应力的条件，不需再继续压裂。该方法也可以监测回采过程中岩层的二次破裂情况，若破裂能量大，则说明压裂效果不好，需井下补充少量工程。由于该方法可以在井上下和孔内布局，可以作为地面压裂的配套技术。
（1）煤层上覆坚硬关键岩层弯曲弹性能的突然释放是具有关键层煤矿冲击地压的主要成因，符合“3因素”机理和弯曲弹性能判别理论。我国华北石炭-二叠系煤田的很多煤矿煤层顶板都发育着坚硬的厚层砂岩或火成岩床关键层，侏罗系煤田顶板都普遍存在着宜君组合洛河组或直罗组和志丹群巨厚砂岩关键层，当埋藏深度足够大的时候，容易产生冲击地压，给煤矿安全造成重大威胁。仅3年来造成伤亡灾害的冲击地压事故有4/5的矿井煤层顶板发育有关键层，因此，关键层是防控冲击地压的重点对象。
（2）顶板关键层的水力压裂可以消除“3因素”理论中的“应力因素”和“结构因素”，是解除冲击地压威胁的有效方法。远程水力压裂可以脱离冲击地压危险区治理冲击地压，实现冲击地压防治的无人化作业，符合冲击地压防治区域先行、超前治理的原则。关键层硬度大，脆性强，适于水力压裂。因此关键层的钻孔远程水力压裂是防治冲击的最佳方法之一。
（3）钻孔远程水力压裂技术防治冲击地压是可行的。工业性试验显示井下长钻孔和地面导斜钻孔均取得了显著效果。
（4）工业性试验显示钻孔远程水力压裂在防治冲击地压上具有显著超前和区域优势，治理效率优势，安全优势和环保优势。
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