一种煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法。
【背景技术】
[0002] 水力压裂近年已被广泛应用到煤矿井下瓦斯强化抽采中，煤矿井下水力压裂对于 增加煤层透气性、提高瓦斯预抽浓度和缩短瓦斯抽放时间等方面效果显著。但是，在深部复 杂煤层中，煤层具有高地应力、节理裂隙发育等特点，造成井下水力压裂时起裂压力大幅增 加，对煤层顶底板变形破坏、压裂相应配套设备成本及安全风险的大幅提高；同时水压裂缝 在扩展过程中极易受到干扰，造成裂缝扩展无序，裂缝容易转向顶底板岩层扩展，致使增透 范围有限和后续煤炭开采时顶底板支护困难，因此，必须对目前常规煤矿井下压裂方法及 工艺进行革新，才能实现煤层气高效开发和安全抽采的目的。
[0003] 国内对于水力压裂的研究大多专注于技术设备和工艺。如专利公开号为CN102720528A、名称为"煤矿井下重复水力压裂强化瓦斯抽采方法"的专利公开的技术 是，通过在脉动水压力钻孔外侧设置一级导向控制钻孔和二级导向控制来延长脉动水力 压裂区域裂隙闭合时间，提高瓦斯抽采率。但是受钻孔直径和脉动频率的限制，对煤层的 增透范围有限，且随脉动频率的增加对封孔材料的耐压强度要求也更高。专利公开号为 CN103133028A、名称为"井下煤层水力压裂裂缝导向扩展的方法"的专利公开的技术是，通 过在压裂钻孔周围间隔设置导向钻孔，并对各钻孔均分别进行水力割缝，来控制水力压裂 裂缝扩展方向。该导向水压裂缝方法的效果受地应力分布影响较大。同时，单孔导向能力 有限，导致钻孔间距较密，工程量较大。专利公开号为CN103362538A、名称为"煤层割缝致裂 压抽交变抽采瓦斯方法"的专利公开的技术是，通过设计可实现抽采瓦斯和注水压裂功能 切换的钻孔瓦斯抽采管进行钻孔压抽交变瓦斯抽采，来提高钻孔持续高效抽采瓦斯能力， 提高钻孔瓦斯抽采影响范围。但没有考虑裂缝扩展方向和如何大幅度增加单压裂孔的影响 范围问题。
【发明内容】
[0004] 本发明为了克服现有技术的不足，提供一种煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法，在 煤层中控制水压裂缝扩展方向、减小压裂过程中所需累压，已达到有效增加压裂范围，降低 压裂过程中对煤层顶底板岩层的破坏，实现高效抽采瓦斯的目的。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 一种煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法，包括如下步骤：
[0007] 1、钻进压裂钻孔及保压注水钻孔，压裂钻孔为一个，在压裂钻孔两侧，按照压裂煤 层区域范围等间距布置保压注水钻孔。
[0008] 2、对压裂钻孔和保压注水钻孔进行注浆封孔。
[0009] 3、按照计算所得的保压孔注水钻孔注水压力和单孔保压注水时间对保压注水钻 孔进行保压注水。
[0010] 4、对压裂钻孔进行水力压裂。
[0011] 步骤（1)中，首先根据压裂煤层区域W及施工巷道情况确定中屯、压裂钻孔的位置 W及钻孔参数。在压裂钻孔两侧，按照压裂煤层区域范围等间距布置保压注水钻孔，钻孔终 孔点与压裂钻孔处于同一标高。
[0012] 步骤（3)中，对保压注水钻孔进行注水时：首先确定保压孔注水压力：
[0013] 注水压力的取值需遵循大于煤层初始瓦斯压力而小于煤层的起裂压力，即： 阳014] Pg<Pw<Pb
[0015] 上式中，为注水压力；pg为煤层初始瓦斯压力；pb为煤层的起裂压力。
[0016] 起裂压力根据计算如下： 1^0017]Pb二 3σh-σH+St
[0018] 上式中，和σh分别为煤层的最大和最小水平主地应力。
[0019] σH和σh的取值根据经验公式：
[0020] 。H= 6. 7+0. 0444H(MPa)
[0021] 。h= 0. 8+0. 0329H(MPa)
[0022] 上式中，Η为深度，单位为米。
[0023] 根据注水压力和煤层初始瓦斯压力计算单孔保压注水时间：
[0024]
[00巧]上式中，t为单孔保压注水时间，Φ为孔隙率，k为渗透系数，为注水压力；Ρg为 煤层初始瓦斯压力，R为保压注水钻孔间距的一半，为钻孔半径，r。为气液交界面的半径， μ?为水的粘度系数，μg为瓦斯的粘度系数。
[00%] 确定保压孔注水压力和单孔保压注水时间后，对保压注水钻孔进行注水。
[0027] 对压裂钻孔进行水力压裂时，将压裂钻孔内预设的压裂管接入水力压裂系统，水 力压裂系统主要装置为输水管路，输水管路的出水端连接压裂管的后端。
[0028] 本发明提出的煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法，其有益效果在于：通过对煤层中 预设的导向钻孔进行其保压注水，可在压裂钻孔周围形成一个连续带状的高孔隙压力区 域，诱导水压裂缝沿高孔隙压力区域扩展，增大有效压裂范围；同时降低压裂过程中所需累 压，减小压裂过程对煤层顶底板岩层的损伤。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明的钻孔布置示意图；
[0030] 图2是本发明的钻孔布置剖面示意图；
[0031] 图3是本发明的水力压裂系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图对本发明的一个实施例进行描述：
[0033] 参见图1、图2和图3,本发明提出的煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法，首先是根据 煤矿井下压裂裂缝扩展控制工艺参数的计算方法和步骤，并结合施工煤层17的物理力学 性质，确定压裂钻孔1的位置，在压裂钻孔1两侧按照压裂煤层区域范围等间距布置保压注 水钻孔2 ;然后安装封孔装置、调配封孔材料，利用注浆累对压裂钻孔1和保压注水钻孔2 进行注浆封孔，封孔效果应满足压裂过程中高压力不泄露的要求；而后通过煤层起裂压力 计算公式计算在施工煤层17物理力学性质条件下煤层的起裂压力Pb，保压注水钻孔注水 pji力介于煤层原始瓦斯压力Pg和煤层起裂压力Pb之间，保压注水压力P?越大对水压裂 缝扩展的控制效果越好，确定保压注水钻孔注水压力，再根据单孔保压注水时间计算 公式计算单孔保压注水时间t;其中水力压裂系统中的压力表W及流量计构成了水力压裂 监测系统，水力压裂检测系统监测水力压裂过程中压裂压力、流量及压裂范围，判断起裂压 力、裂缝扩展方向及压裂效果；最后利用水力压裂系统对煤层17实施压裂。
[0034] W上方法通过在水力压裂钻孔1两侧合理布置的保压注水钻孔2,通过对保压注 水钻孔2保压注水，在压裂煤体周围区域形成水力压力梯度，孔隙压力可W减小煤体中的 有效应力，降低水压裂缝扩展所需累压，孔隙压力越大，水压裂缝扩展所需的能量越小；同 时，孔隙压力梯度会直接影响水压裂缝扩展所需的能量，从而诱导水压裂缝沿高孔隙压力 方向扩展。
[0035] 采用本发明方法进行煤矿井下压裂裂缝扩