一种预制裂缝定向水力压裂起裂方法技术

本发明专利技术属于一种坚硬顶板控制范围，具体为一种预制裂缝定向压裂起裂方法。本发明专利技术步骤是:先测定坚硬岩层最大水平应力的大小和方向，然后在工作面切眼煤柱一侧或运输顺槽或回风顺槽巷道一侧或上述三个位置向坚硬岩层施工垂直向上或者斜向上的钻孔，钻孔施工结束后，在钻孔内坚硬岩层段沿轴向方向两边对称预制裂缝，预制裂缝完毕后，用清水冲洗钻孔，然后在钻孔内涂防水剂，待防水剂凝固后，然后封孔并压裂。该方法克服了岩石渗透性较好、预制裂缝和最大水平应力有一定的夹角时，由于岩石对压裂液的滤失而导致预制裂缝不能够提供起裂位置的弊端，从而有效的控制了裂缝的起裂位置和水力裂缝扩展方向，增大压裂钻孔间距，减小钻孔费用和劳动强度。

【技术实现步骤摘要】
一种预制裂缝定向水力压裂起裂方法
本专利技术属于一种采场和巷道围岩控制技术，尤其是一种适用于坚硬顶板定向切顶的方法，具体为一种预制裂缝定向水力压裂起裂方法。
技术介绍
在煤炭开采过程中，如果煤层在一定高度内的上覆岩层存在坚硬难垮顶板，存在下面三个方面的安全问题：第一，在工作面后方极易形成大面积的悬顶，悬顶一旦垮落，产生强冲击载荷，引起飓风，同时挤出采空区内大量瓦斯，造成重大的矿难事故。第二，对于无煤柱开采的沿空留巷、沿空掘巷，其巷旁支护侧采空区也容易形成悬顶，导致巷旁支护载荷增大，使留巷变形大，难以维护。第三，对于煤柱护巷，采空侧坚硬悬顶使煤柱留设宽度增加，导致回采率严重下降，同时，留设煤柱过宽，容易引起冲击地压灾害事故。因此需要用人工方法强制使坚硬顶板随工作面的推进及时按照一定的方位和在特定的位置断裂。传统的坚硬顶板处理的方式有：预裂爆破（聚能爆破）强制放顶、定向水力压裂等方法均取得一定的成功，但是存在一定的缺点：如聚能爆破存在装药量大、爆破污染井下空气，同时对于高瓦斯矿井爆破时，安全性差。而定向水力压裂是在钻孔径向机械切槽，使坚硬顶板分层，破坏整层性，减小大面积来压，缺点是不能在制定的位置和沿着一定的方向及时断裂。专利CN103953343虽然公开了一种定向压裂切顶的方法，是在钻孔轴向预制裂缝，割缝的方位与巷道长轴方向一致。如果坚硬岩层的水平最大应力方向与工作面切眼长轴方向或回风顺槽或运输顺槽长轴方向一致，压裂裂缝的起裂、扩展总是沿最大水平应力方向，对压裂切顶非常有利。工程实际中，往往工作面切眼长轴的方向或者运输顺槽或回风顺槽的长轴方向与最大水平应力方向有一定的夹角，此时，割缝方位还继续与长轴方向一致，存在如下问题：第一，由于煤矿坚硬顶板大多为砂岩、砂砾岩和灰岩，空隙发育，渗透性好，压裂时钻孔壁面和裂缝面压裂液滤失严重，导致压裂裂缝不沿预制裂缝端部起裂，而是沿钻孔壁最大主应力方向起裂，此时割缝起不到任何定位作用。第二，即使沿预制裂缝尖端起裂，如果割缝方位与最大水平应力方位过大，由于钻孔壁和裂缝面的滤失，压裂裂缝也快速偏转至最大水平应力方向，如果使各钻孔压裂裂缝相互连接，必须无限制的加密钻孔，无限制的加密钻孔在工程上是不可能的，经济上也是不合理的。为了能够使压裂裂缝在制定的位置起裂，保证定向压裂效果，本专利技术提出了一种预制裂缝定向压裂起裂方法，能够有效的控制裂缝的起裂位置和水力裂缝扩展方向，增大压裂钻孔间距，减小钻孔费用和劳动强度。
技术实现思路
本专利技术为了克服已有技术中的不足之处，提供了一种简单、安全有效的预制裂缝水力定向压裂起裂方法。本专利技术是采用如下的技术方案实现的：一种预制裂缝水力定向压裂起裂方法，包括如下步骤：（1）根据地质资料，确定坚硬岩层的厚度，并测试坚硬岩层中最大水平应力大小及方位。根据工作面回风顺槽或运输顺槽或切眼长轴方向与最大水平应力方位的关系，计算出工作面切眼或者运输顺槽或回风顺槽长轴方向或者工作面切眼、运输顺槽和回风顺槽长轴方向与最大水平应力方位的夹角θ，取锐角。（2）在工作面切眼靠近煤柱侧、运输顺槽靠近煤柱侧或回风顺槽靠近工作面一侧或同时在工作面切眼靠近煤柱侧、运输顺槽靠近煤柱侧和回风顺槽靠近工作面一侧施工斜向长轴方向钻孔，钻孔穿过直接顶到坚硬岩层上覆岩层为止，钻孔间距1~20m，钻孔轴向方向与岩层垂面方向的夹角为0~30°。（3）在上述施工完钻孔内沿钻孔轴向采用高压水射流或机械方式预制裂缝，裂缝位置从坚硬岩层距离上覆岩层1m开始，到坚硬岩层距离下伏直接顶1m处为止。裂缝与运输顺槽的长轴方向或与回风顺槽的长轴方向或与切眼的长轴方向或者与工作面切眼、运输顺槽和回风顺槽长轴方向夹角为a，取锐角，预制裂缝与长轴方向的夹角a与最大水平应力与长轴方向的夹角θ的之和大于等于0°而小于90°且最大水平应力方向与预制裂缝方向的夹角为a+θ，裂缝深度8~15mm，裂缝宽度5~10mm。（4）预制裂缝完毕后，用清水冲洗钻孔，然后在钻孔内从上向下均匀的喷射防水剂，防水剂覆盖钻孔壁和裂缝面，凝固后防水剂的厚度为0.1~0.5mm。（5）防水剂凝固后，在钻孔两端进行封孔并进行水力压裂，通过多钻孔同时压裂使钻孔之间产生的压裂裂缝相互连通。相邻两个或多个钻孔割缝方位一致，防水剂凝固后强度低于岩石强度。有益效果：不涂防水剂时，压裂液向钻孔壁四周滤失，削弱了裂缝尖端应力积聚能力，此时裂缝更易受到地应力场的控制，易于沿钻孔壁最大水平应力方向起裂，而不从预制裂缝尖端起裂。钻孔四周表面涂了防水剂之后，隔绝压裂液在钻孔壁和裂缝面的滤失，压裂液更容易将压力汇聚在裂尖，从而更易沿裂缝尖端起裂。由水力压裂理论可知，当预制裂缝方位与最大水平应力夹角为0°时，最利于裂纹起裂与扩展，当预制裂缝方位与最大水平应力方向的夹角为90°时，属于极难起裂并不利于裂纹的定向扩展，因此，最大水平应力方向与预制裂缝方向的夹角应大于等于0°而小于90°。本专利技术采用了预制裂缝水力定向压裂起裂方法，克服了地应力和滤失对裂缝起裂与扩展的影响，使压裂裂缝能够按照指定的位置和一定的方向扩展，通过多钻孔同时压裂，使压裂裂缝在一定的偏转范围内相互搭接，从而实现定向切顶的目的，相同于传统裸孔定向压裂的方法，能够增大压裂钻孔间距，节省钻孔费用，确保压裂切顶效果。对于工作面初采时，定向切顶能够避免了采空区顶板大面积来压带来的冲击灾害。对沿空留巷和掘巷，定向切顶能够减小坚硬岩层悬顶效应，使巷道载荷减小，降低支护成本。对于采用煤柱护巷，定向切顶能够弱化回采工作面侧向应力传递，减小煤柱应力集中，从而大幅减小护巷煤柱宽度，大幅提高采区回采率，同时避免了煤柱过宽，引起冲击地压灾害事故发生。可见对，对防治采场顶板、巷道围岩控制和区段煤柱留设，具有重要意义。其方法简单、安全性好、操作简单，使用方便，具有广泛的实用性。附图说明图1是本专利技术的预制裂缝水力定向压裂工艺布置平面示意图。图2是本专利技术的预制裂缝水力定向压裂工艺布置Ⅰ-Ⅰ剖面示意图。图3是本专利技术的预制裂缝水力定向压裂工艺布置Ⅱ-Ⅱ剖面示意图。图4是本专利技术的预制裂缝水力定向压裂工艺布置Ⅲ-Ⅲ剖面示意图。图中：1-运输顺槽，2-回风顺槽，3-切眼，4-液压支架，5-钻孔，6-裂缝，7-防水剂，8-最大水平应力方位，9-坚硬岩层，10-煤层，11-直接顶，12-上覆岩层，θ为最大水平应力方向与长轴方向的夹角，α为裂缝方向与长轴方向的夹角。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的一个实施例作进一步的描述：本专利技术的一种预制裂缝定向压裂起裂方法，首先测定煤层上覆坚硬岩层9中的最大水平应力的大小和方位，然后根据工作面切眼3长轴方向或运输顺槽1或回风顺槽2的长轴方向，计算出最大水平应力方位8与工作面切眼3长轴方向或运输顺槽1的长轴方向或回风顺槽2的长轴方向或者工作面切眼、运输顺槽和回风顺槽长轴方向的夹角，测出最大水平应力方位与长轴夹角为30°。在工作面切眼3靠近煤柱侧或运输顺槽1靠近煤柱侧或回风顺槽靠2靠近工作面侧或同时在工作面切眼靠近煤柱侧、运输顺槽靠近煤柱侧和回风顺槽靠近工作面一侧布置钻孔5，钻孔与坚硬岩层9垂面呈10°夹角，钻孔深度穿透坚硬岩层，钻孔间距6m，然后在钻孔内采用高压磨料射流或者机械方式沿钻孔轴向预制裂缝6，裂缝范围从坚硬岩层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预制裂缝水力定向压裂起裂方法，其特征在于包括以下步骤：a.根据地质资料，确定坚硬岩层（9）的厚度，并测试坚硬岩层（9）中最大水平应力大小及方位，根据工作面回风顺槽（2）或运输顺槽（1）或切眼（3）长轴走向方向与最大水平应力方位（8）的关系，计算出工作面切眼（3）或运输顺槽（1）或回风顺槽（2）长轴方向或者工作面切眼（3）、运输顺槽（1）和回风顺槽（2）长轴方向与最大水平应力方位（8）的夹角θ，取锐角；b.在工作面切眼（3）靠近煤柱侧或运输顺槽（1）靠近煤柱侧或回风顺槽（2）靠近工作面一侧或同时在工作面切眼（3）靠近煤柱侧、运输顺槽（1）靠近煤柱侧和回风顺槽（2）靠近工作面一侧施工斜向长轴方向钻孔（5），钻孔穿过直接顶（11）直到坚硬岩层上覆岩层（12）为止，钻孔间距1~20m，钻孔轴向方向与岩层垂面方向的夹角为0~30°；c.在上述施工完钻孔内沿钻孔轴向预制裂缝（6），裂缝（6）采用高压水射流或机械割缝，裂缝（6）位置从坚硬岩层（9）距离上覆岩层1m开始到坚硬岩层（9）距离直接顶（11）1m处为止，裂缝（6）与运输顺槽（1）的长轴方向或与回风顺槽（2）的长轴方向或与切眼（3）的长轴方向或者与工作面切眼（3）、运输顺槽（1）和回风顺槽（2）长轴方向夹角为a，取锐角，裂缝（6）与长轴方向的夹角a与最大水平应力与长轴方向的夹角θ之和大于等于0°而小于90°且最大水平应力与预制裂缝方位的夹角为θ+a，裂缝深度8~15mm，裂缝宽度5~10mm；e. 预制裂缝完毕后，用清水冲洗钻孔，然后在钻孔内从上向下均匀的喷射防水剂（7），防水剂覆盖钻孔壁和裂缝面，凝固后防水剂的厚度为0.1~0.5mm；f. 防水剂凝固后，在钻孔两端进行封孔并进行水力压裂，通过多钻孔同时压裂使钻孔之间产生的压裂裂缝相互连通。...

【技术特征摘要】
1.一种预制裂缝水力定向压裂起裂方法，其特征在于包括以下步骤：a.根据地质资料，确定坚硬岩层（9）的厚度，并测试坚硬岩层（9）中最大水平应力大小及方位，根据工作面回风顺槽（2）或运输顺槽（1）或切眼（3）长轴走向方向与最大水平应力方位（8）的关系，计算出工作面切眼（3）或运输顺槽（1）或回风顺槽（2）长轴方向或者工作面切眼（3）、运输顺槽（1）和回风顺槽（2）长轴方向与最大水平应力方位（8）的夹角θ，取锐角；b.在工作面切眼（3）靠近煤柱侧或运输顺槽（1）靠近煤柱侧或回风顺槽（2）靠近工作面一侧或同时在工作面切眼（3）靠近煤柱侧、运输顺槽（1）靠近煤柱侧和回风顺槽（2）靠近工作面一侧施工斜向长轴方向钻孔（5），钻孔穿过直接顶（11）直到坚硬岩层上覆岩层（12）为止，钻孔间距1~20m，钻孔轴向方向与岩层垂面方向的夹角为0~30°；c.在上述施工完钻孔内沿钻孔轴向预制裂缝（6），裂缝（6）采用高压水...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘正和，廉浩杰，杨录胜，冯子军，冯增朝，赵阳升，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14