地震频率谐振技术在煤层顶板水力压裂监测中的应用分析

王方方，田 原，韩宁宁，薛爱民，王 超，谢华东，李小瑞，王正茂

（1.兖矿能源集团股份有限公司，山东 邹城 273500；2.北京派特森科技股份有限公司，北京 100085）

我国煤层赋存条件比较复杂，顶板为坚硬且难以及时垮落的煤层约占三分之一，该类顶板通常具有岩石强度高、节理裂隙不发育、厚度大、整体性强、自承能力强等特点。前人研究表明，煤层坚硬顶板断裂与矿震发生存在关联。朱斯陶等[1]对顶板运动型矿震及灾害发生机制、预测和工程分类计数进行了研究，将顶板运动型矿震分成了三种运动模式，并给出了能量预测模型；高明仕等[2]针对厚硬顶板覆岩破断释放冲击能量影响采场安全性等问题，研究了覆岩冲击震源层初次破断和周期破断产生的冲击能量大小以及冲击震动波在传播过程中的能量耗散机理；王富奇[3]揭示了东滩煤矿矿震类型多为关键层断裂型矿震和原岩应力与构造应力耦合型矿震，并分别研究了两类矿震的发生机理，提出了关键层断裂型矿震能量的计算方法。

为了进行矿震防治，减弱煤层顶板集中动载效应，了解水力压裂过程中产生的裂缝对顶板应力场变化的影响，有助于正确评价诱发此类矿震关键层的岩石力学参数。焦战等[4]采用扩展有限元法模拟了裂缝扩展过程，分析了水平应力比、抗拉强度、泊松比、间隔时间、注液速率和裂缝间距对裂缝扩展的影响；赵新宇[5]基于断裂力学、流固耦合理论，建立了煤层开挖与水利压裂相耦合的数值模型，模拟得出了厚硬顶板破断的矿压作用规律，明确了厚硬基本顶的断裂是造成煤层工作面强矿压的主要原因；王素玲等[6]利用扩展有限元框架下的分离裂缝模型模拟了裂缝在砂、泥岩界面上的扩展过程，分析了裂缝穿过界面扩展的影响因素，指出了裂缝在非均匀岩层内的扩展机理主要是由界面层的不同力学性质导致。

上述研究内容通过理论分析与计算机模拟验证了水力压裂技术在顶板裂隙监测中的可行性。在工程实践中，主要通过改进压裂工艺、优化监测压裂过程所采用的地球物理方法来提升和评价水力压裂技术的实质效果。刘文静等[7]采用特厚坚硬顶板水力压裂施工工艺为顶板卸压控制技术提供了有力支持；门鸿等[8]采用超长钻孔水力压裂技术对煤层上方坚硬岩层进行压裂，有效降低了上覆岩层顶板的整体强度，通过高压水切割的方式，达到了大面积弱化顶板的目的，证明了该技术可以有效降低工作面开采过程中煤层上方顶板的冲击势能；牛同会[9]提出了对工作面顶板施工定向水力压裂措施来弱化坚硬顶板岩层，控制其垮落，揭示了分段水力压裂弱化坚硬顶板降低回采期间矿压显现的机理；张林等[10]利用激发电磁法，有效观测到压裂液引起的电信号变化，对压裂液的延伸范围做出了定性分析，侧面展示了裂隙在地下的空间延展特征；姜志忠[11]进行了井下煤层水力压裂微震响应规律和煤系地层弹性波传播特性的研究，发现了煤岩体不同的局部破裂会产生不同的谐振频率，释放不同频率的声发射信号，表现出多频同响特征，多频同响指数可以表征宏观裂缝的形成。

东滩煤矿自进行开采活动以来，已监测到多次震动事件，严重威胁到矿山的安全生产。为了探索适合该矿区的矿震防治技术，闫宪磊[12]利用微震监测的方法，对东滩煤矿矿震的发生规律及影响因素进行了深入系统的研究；詹庆超等[13]、谢华东等[14]通过对东滩煤矿矿震事件发生规律及成因的分析，提出并利用煤层巨厚顶板定向长钻孔分段水力压裂矿震防治技术，实现了对矿震发生次数和等级的降低。本文则是基于地震频率谐振技术[15]，以东滩煤矿为工程背景，对煤层顶板水力压裂监测效果进行研究与分析。通过在压裂井孔轨迹周边网格化部署地震频率谐振探测廊带，进行压裂前后高精度成像，查明压裂作业所形成的地层低波阻抗异常带空间展布特征，结合已知的钻孔和巷道资料，综合评价地震频率谐振技术在高位坚硬顶板的水力压裂监测中的效果。

1 地震频率谐振技术介绍

1.1 地震频率谐振技术原理

任何物体都存在其自身的固有频率，大到地球，小到微电子。当振动作用于物体，物体要做出相应的响应，振动的频率与物体的固有频率一致时，物体将放大振动的幅度，即产生谐振现象。自然界存在大量的非人为的主动性振动场，如潮汐波动、板块运动，也有人类活动引起的地表振动。这些振动引发的地震波能量多数以面波的形式，少量以体波的形式存在于地球表面。由于地球从表面到深部具有从低速度向高速度变化的特点，根据地震波传播理论，波场从地下传播到地面的传递函数公式见式（1）。

式中：θ为地下波场与水平地面的角度，（°）；Ω1为上层波阻抗值，g/cm3·m/s；Ω2为下层波阻抗值，g/cm3·m/s。当θ=90°时，发生谐振，如果简化成均匀大地上方单层地层状况，则可写成式（2）。

放大倍数函数（即传递函数）与地层的关系式存在确定的表达式，当具有放大倍数函数，同时通过地面观测获得激励场函数，两者拟合便可进行地质参数反演，最终得到地层对应的波阻抗、厚度、密度等地质信息，从而最终实现对地下地质空间特征进行描述的目的[16]。

1.2 地震频率谐振技术特点

1）具有较强的抗干扰能力。由于处理过程中将常规地震勘探的多次迭加技术引入其中，压制大量的无用信号噪声，使得地震频率谐振下的地震数据信号占优，提高了采集数据质量。

2）具有较好的成像精度。该方法利用地震波与地质体的谐振现象对地下介质进行成像，成像参数为视波阻抗比率或视波阻抗。无论是选取波阻抗还是比率，其本质都是与密度和速度相关的函数。尤其针对目标地质体与围岩密度差异大的地区，地震频率谐振技术拥有更灵敏的识别精度。

3）无需人工激发震源。与常规的地震勘探基本理论不同，该技术无需应用人工激发震源，主要利用地球内部广泛存在的背景震动噪声进行成像，野外采集不破坏自然环境，安全环保。

2 工区概况及数据采集处理

2.1 工区概况

东滩煤矿位于山东省邹城市境内，井田处于兖州煤田的核部和深度，地应力较为集中。由于矿区厚关键层（特厚层砂岩老顶）覆岩在煤矿采空后的压力释放伴有动力冲击等强矿压显现问题，在地层浅地表会引发矿震等地质灾害；且六采区受特殊地质构造条件影响，进行回采活动时，频繁发生震动现象。截至本次工程施工前，共监测到震动事件205 次，其中，震级在1 级（地面有轻微震感）以上的矿震事件达6 次。

本次开展地震频率谐振采集工作的63上03 工作面位于六采区中部，南邻63上04 采空区，北邻63上02工作面（未采）。工作面倾斜宽250 m，标高为-581.9～-715.0 m，平均为-650.3 m；地面标高为+46.87～+49.17 m，平均为+47.91 m。煤层顶底板状况见表1。

表1 煤层顶底板情况Table 1 Conditions of roof and floor of coal seam

2.2 数据采集

根据施工设计安排，通过在压裂井孔轨迹周边布设20 m×20 m 等间距网格数据采集点（表2），对1号钻孔压裂前后和3 号钻孔、4 号钻孔压裂后实施监测（图1）。

图1 63上03 工作面压裂监测测点布设区域图Fig.1 Layout of fracturing monitoring points in 63 upper 03 working face

表2 压裂监测工作量Table 2 Fracturing monitoring workload

本次施工选用全液压定向钻机，采用拖动式分段水力压裂方式，封隔器岩层顶板裸眼坐封，三个钻孔均以清水作为压裂液，其注水压力根据试验地点地应力和瓦斯压力计算，初步确定注水压力为18.1～27.2 MPa，实际施工过程中，各压裂段的地层破裂压力大于上述经验计算值，基本在17～32 MPa。设计每个钻孔中单段压裂液用量为50 m3，各钻孔轨迹在工作面剖面图上的位置如图2 所示。

图2 63上03 工作面压裂孔实钻轨迹图Fig.2 Section of solid drill track of compression borehole in 63 upper 03 working face

地面数据监测采集所使用的检波器为工作频率0.2～150 Hz 的高精度频率谐振采集站，均挖坑埋设至地表以下，并压实表面确保仪器的耦合效果，单点数据采集时长不少于1 h。

2.3 数据处理

地震频率谐振数据的处理主要包含叠前多域去噪、信号能量补偿、高精度速度分析与测井约束联合反演三个方面。

1）通过地震频率谐振勘探技术采集获得的原始数据的噪音类型主要包括有源干扰、线性干扰、异常振幅干扰、环境噪音等。因此，在成像处理之前，需进行针对性叠前去噪，这是前期数据处理工作的重点。根据噪音的类型和强度通常采取多域多次的迭代处理，常用的手段包括以下几方面：①通过分频的方式，设定合理的压制系数值，达到对直流噪音、环境噪声和异常振幅干扰的有效压制；②利用相干噪声压制技术，对线性干扰通过分析其自身的频率、相位、速度特征进行噪声压制，以提高中浅层资料的成像质量；③在（炮）点域去噪完成后，将数据分选到CMP 视域，某些异常振幅和外源干扰会变得更加随机，利于区分和压制，从而使得残余的异常噪声和外源干扰能量得到进一步压制。

2）由于地表条件的差异，不同（炮）点间、道间能量不一致。为了消除由于地表地震地质条件因素不一致造成的空间能量不均衡的问题，在完成第一步的叠前多域去噪处理之后，还将对数据采取一系列振幅补偿措施，补偿波前能量随着地震波传播距离的增加而衰减，造成纵向上能量差异。补偿的参数以本区域速度为依据，并结合本区域内已知且具有代表性的点来记录检验补偿效果，确认所使用的区域速度的合理性。

3）速度分析与测井约束联合反演是数据处理中极其关键的工作。速度多次迭代与成像精度是密切相关的，精确的速度有利于解决成像的精度问题。针对本矿区，通过利用矿区测井资料得到的声波特征、岩性特征、电性特征等物理性质对速度模型和地质模型进行修正，调整各项处理参数，达到区分出该地区地质目标体和围岩差异的目的。

3 煤层顶板压裂效果分析

3.1 1 号钻孔压裂井段裂隙空间发育特征

压裂孔是由工作面前方的联络巷开口钻进，行进至目标层位后开始进行压裂作业。但由于现场设备原因，1 号钻孔仅完成前3 段压裂作业（第2 段压裂由于地层破裂后水压降低未能形成有效压裂），总长度约60 m。该压裂层段所处水平层位在-460～-490 m，岩性以细砂岩为主，厚约156 m，其上部夹薄层粉砂岩，下部夹薄层中砂岩，整个压裂层位属于侏罗纪三台组下段主关键层。

1 号钻孔的水平投影基本位于L3 测线和L4 测线之间，检波器布设范围如图3 所示，1 号钻孔压裂后L1 测线～L6 测线效果图如图4 所示。由图4 可知，未进行水力压裂作业的厚关键层整体表现为水平层状，而经过压裂作业后的目标层位在各测线剖面对应的位置上均发生了波阻抗值的变化，说明压裂作业后导致了压裂区域的岩层被破坏，形成的裂隙区表现出了明显的低波阻抗特性。而各条测线的低波阻抗区域均近似椭圆形，也说明裂隙扩展的路径以水平展布为主，垂直方向上则受地应力压力影响，高度基本未超过30 m。同时，压裂作业后除了形成较大型的导水裂隙区之外，还形成了不导水的应力降低区，前者范围小，而后者范围较大，故而在测线剖面图上呈现出的低波阻抗区比实际产生的导水裂隙区要大。

图3 1 号钻孔检波器位置分布Fig.3 Location distribution of geophones in borehole 1

图4 1 号钻孔压裂后L1 测线～L6 测线效果图Fig.4 Effect diagram of lines L1-L6 after fracturing in borehole 1

3.2 3 号钻孔压裂井段裂隙空间发育特征

3 号钻孔压裂作业也由相同位置开口钻进，沿斜上方行进至目标层，一共实施了14 段压裂，总长度约480 m，整个压裂段所处水平层位在-640～-680 m之间。其中，前7 段岩性以粉细岩、细砂岩为主，含少量砂质泥岩，后7 段岩性则以中砂岩、粗砂岩为主，整套压裂层位处于二叠系下石盒子组。

3 号钻孔的水平投影位置同样位于监测区域的中心、即L3 测线和L4 测线之间，如图5 所示。3 号钻孔压裂后L1 测线～L6 测线效果图如图6 所示。由图6 可知，压裂作业后的目标层段在6 条测线上均表现为波阻抗低值异常，裂隙的扩展形成特征也与1 号钻孔压裂效果类似，同样形成了范围较小的导水裂隙区和外层较大范围不导水的微裂隙低应力区。

图5 3 号钻孔检波器位置分布Fig.5 Location distribution of geophones in borehole 3

图6 3 号钻孔压裂后L1 测线～L6 测线效果图Fig.6 Effect diagram of lines L1-L6 after fracturing in borehole 3

但相较于1 号钻孔，3 号钻孔实施了更长的压裂作业长度，基本覆盖到采集测线的长度，但各条测线在其0～150 m 长度区间内（大致对应压裂作业的前5 段）所显示的压裂效果并不明显。分析认为是由于岩层赋存状态不均匀，当压裂作业在地层中压出一条裂缝后，由于地层的滤失作用，以及受限于当时压裂泵组的最大作业功率，难以将注水压力继续提高，无法超过该处地层耐破上限的压力，也就未能再对该段地层造成充分的破裂。但在3 号钻孔压裂的中后段，通过测线剖面可以看出，基本形成了一段沿测线走向方向整体长度约200 m、垂向有效压开高度超过80 m 的低波阻抗连片区，证明此处压裂效果良好（图7）。

图7 3 号钻孔压裂后3D 效果展示图Fig.7 3D effect display after fracturing in borehole 3

3.3 4 号钻孔压裂井段裂隙空间发育特征

4 号钻孔最后进行施工，同样是由工作面前方的联络巷开口钻进，共计完成10 个压裂段，总长度约350 m 的压裂作业，整个压裂段所处水平层位在-650～680 m 之间。第1 段、第2 段岩性以粉细砂岩、细砂为主，夹杂少量泥岩；中段则以灰黑色粉细砂岩互层为主；从第4 段往后，岩性则以黄色中细砂岩、中粗砂岩为主。整套压裂层位处于二叠系下石盒子组。

4 号钻孔水平投影轨迹贯穿整个监测区域，同样也位于L3 测线和L4 测线之间，如图8 所示。4 号钻孔压裂后L1 测线～L6 测线效果图如图9 所示。由图9 可知，4 号钻孔压裂后的目标层段也在6 条测线上表现出波阻抗异常低值，但是在测线中后段200～340 m 之间出现一段明显高波阻抗区，“打断”了前后低波阻抗区的连续性。分析认为主要是受此处地表公路横穿测线的影响，导致检波器接收到的能量过强，未能真实反映出该段的压裂效果。同时，位于钻孔水平地表投影轨迹北侧区域的测线（即L4 测线、L5 测线、L6 测线），裂隙扩展范围明显较南侧区域测线大，说明在压裂作业后裂隙主要沿此方向在延伸，与该采区的最大水平主应力方向是大致相同的。

图8 4 号钻孔检波器位置分布Fig.8 Location distribution of geophones in borehole 4

图9 4 号钻孔压裂后L1 测线～L6 测线效果图Fig.9 Effect diagram of lines L1-L6 after fracturing in borehole 4

4 结论

1）压裂作业后形成的裂缝区往往在剖面对应位置上呈现出非常明显的低波阻抗带，且裂隙的空间延伸方向与该地区的最大水平主应力方向基本一致，表明通过地震频率谐振勘探技术对煤层顶板的水力压裂监测是可行的，对于后续评价水力压裂技术在矿震治理中的效果具有积极作用。

2）上述低波阻抗带不仅反映了压裂作业会对目标岩层核心区造成破坏而产生具有导水功能的裂隙外，还反映了垂直裂隙尾翼发育的状态。这种尾翼的长度要远大于裂隙本身，但与之不同的是，这种“包裹”裂隙区外围的低波阻抗区其实是一种不具备导水功能的应力降低区，可以将其定义为微裂隙带，这一特征与水力压裂对岩层力学状态的影响是相符的。

3）在数据采集中发现，地震频率谐振技术具备一定的抗随机干扰能力，能够在井场绝大部分的电磁、人文干扰环境下完成数据采集。但是对于固定的强震源干扰（如交通繁忙的主干道路），与其临近的测点采集信号仍会受到较强的干扰，最终导致噪声信号在反演过程占据主导，影响成图质量。因此，实际施工过程中，应尽量避免此类情况发生，同时，针对强干扰数据的去噪处理方法也有待进一步优化。