[发明专利]一种预制裂缝定向水力压裂起裂方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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，本发明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。

发明内容

本发明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。

本发明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°。