[发明专利]一种煤矿井下割缝保压导向压裂增透方法

说明书

本发明公开了一种煤矿井下割缝保压导向压裂增加煤层透气性的方法，适用于低透气煤层的增透作业。该种导向压裂增透方法的特点在于在布置压裂孔的同时也布置导向孔，并根据煤层地质状况设计出合适的割缝参数，对压裂孔和导向孔进行割缝，之后对导向孔保持一定的水压，对压裂孔进行水力压裂。该导向压裂方法与常规水力压裂相比能够有效引导裂缝扩展，达到对裂缝扩展的控制效果，减少水力压裂“空白带”，增大压裂孔的压裂范围；同时该方法能使煤体产生局部卸压区，有效降低水力压裂的起裂压力，克服了破坏顶底板并造成次生灾害等缺点，强化裂缝形态，最终达到增强压裂效果、高效抽采瓦斯的目的。

技术领域

本发明涉及一种煤矿井下割缝保压导向压裂增透方法，属于煤矿井下区域瓦斯治理技术领域，尤其适合于压裂效果不均衡、存在大量压裂“空白带”的矿井。

背景技术

瓦斯(煤层气)作为一种主要以吸附状态存储于煤层的非常规天然气，是威胁煤矿安全生产的主要因素，也是我国未来重点开发的清洁能源。近年来，为了消除瓦斯对煤矿安全生产带来的威胁、综合利用瓦斯提高经济效益等，我国对煤矿瓦斯治理愈来愈重视。自“水力化”瓦斯治理手段被推广应用以后，国内外很多学者都致力于改良现阶段的瓦斯抽采技术，先后提出常规水力压裂、高压水射流割缝、水力割缝压裂等，其中常规水力压裂、水力割缝压裂应用较为广泛。这些水力压裂技术的优点是能够对煤层卸压或者产生裂缝，提高煤层透气性，瓦斯流量及浓度均能在压裂后的初期达到较高的水平。但仍然均存在不足之处：包括压裂起裂压力较高，对顶底板稳定性破坏较大，不利于后续的采掘和支护工作，裂缝在煤层中的起裂位置及扩展延伸难以控制，容易转向顶底板并扩展延伸导致难以有效对煤层实施压裂，单一主裂缝极易形成压裂“空白带”，且瓦斯抽采浓度衰减较快，抽采效率低，抽采效果不明显，开采时易发生瓦斯突出事故，施工成本较高，压裂效果不完全等(王耀锋，何学秋，王恩元，等.水力化煤层增透技术研究进展及发展趋势[J].煤炭学报，2014，39(10):1945－1955.)。

为了引导裂缝扩展，达到对裂缝扩展方向控制的效果，国内学者提出了导向槽或者导向孔改善水力压裂的方法，如专利公开号为：CN102619552A、名称为“导向槽定向水力压穿增透及消突方法”的专利仅提出了导向槽引导裂缝扩展的不同布置方式，并未说明不同导向槽布置方式的使用条件及导向槽的尺寸设计准则；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”的专利采用了圆盘状缝槽且仅对割缝深度进行了探讨。但在现场应用中发现，上述导向压裂效果并不理想。分析发现，主要原因为圆盘状缝槽对裂缝起裂位置的控制能力较差，无水压的导向孔对裂缝的引导能力较弱。

发明内容

针对上述水力压裂技术的不足，本发明提出一种煤矿井下割缝保压导向压裂增透方法，即分别对压裂孔和导向孔采用轴向割缝技术且在压裂期间对导向孔提供水压，克服现有水力压裂技术起裂压力较高、对煤层顶底板破坏严重、瓦斯抽采浓度衰减较快等缺点。该方法能够引导裂缝起裂扩展，减少水力压裂“空白带”，增大压裂孔的压裂范围，降低水力压裂的起裂压力，减少对顶底板的破坏，强化裂缝形态，最终达到增强压裂效果、高效抽采瓦斯的目的。

本发明的煤矿井下保压导向压裂增透方法包括如下步骤：

步骤1，确定施工参数，包括导向孔数量n₁、压裂孔及导向孔缝槽数量n₂、缝槽长轴a、缝槽短轴b、缝槽方位角α、压裂孔注水压力p_w、导向孔注水压力p_d。

(1)根据煤层的远场地应力σ₁、σ₃，煤的弹性模量E，抗拉强度为σ_t，计算得到起裂压力p_f。

(2)通过以下公式计算缝槽设计参数：