Hydraulic fracturing technology with directional boreholes for strata control in underground coal mines and its application
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摘要:
水力压裂技术在煤矿坚硬、完整顶板岩层弱化及高应力巷道卸压方面得到越来越广泛的应用。以陕西曹家滩煤矿特厚煤层综放开采工作面、特厚稳定顶板岩层为工程背景，开展了顶板岩层地质力学测试、可压性试验，水力裂缝扩展理论分析及三维数值模拟，提出井下工作面定向钻孔区域水力压裂顶板层位、压裂钻孔布置与参数确定方法及压裂工艺。在井下进行了工业性试验和系统的地面微震实时监测，获得了顶板水力压裂裂缝空间展布特征。同时，进行了液压支架工作阻力，工作面周期来压步距及持续距离，来压动载系数及顶板岩层破断能量监测与分析，综合评价了水力压裂效果。初步建立了集压裂层位确定与参数设计，井下定向钻孔压裂工艺与装备，水力裂缝空间展布监测与压裂效果综合评价为一体的煤矿井下定向钻孔水力压裂成套技术。井下试验结果表明：在曹家滩煤矿井下地应力状态下（最小主应力为垂直应力），水力裂缝以水平裂缝为主，沿钻孔两侧扩展平均距离为80 m左右，有效弱化了工作面范围内上覆坚硬、完整顶板，实现了区域顶板改造。压裂区域工作面强矿压显现显著减弱，确保了工作面安全生产。最后，分析了水力压裂存在的问题，展望了技术发展方向。
Abstract:The application of hydraulic fracturing technology on rock fracturing for hard and complete roof, and destressing for roadways with high stresses is increasingly widespread. Based on a top coal caving working face with extra-thick coal seam and complete roof layers in the Caojiatan coal mine in Shaanxi Province, the roof rock geomechanical measurements, compressibility tests, theory of hydraulic fracture propagation, and 3D numerical simulation were carried out, and the determination approaches for fracturing rock horizon above a working face, fracturing borehole layout and parameters, and fracturing technology were put forward. The underground industrial trial and a comprehensive surface microseismic monitoring with actual time were conducted, and the spatial distribution characteristics of hydraulic fractures in roof were obtained. Meanwhile, shield resistance, periodic weighting step distance and duration distance, weighting dynamic load coefficient, and roof breaking energy were monitored and analyzed, and the hydraulic fracturing effect was synthetically evaluated. A complete set of technology for hydraulic fracturing with directional boreholes in underground coal mines were preliminarily established, which includes determination of fracturing rock horizon and parameter design, fracturing technology and equipment with directional boreholes, monitoring of hydraulic fracture spatial distribution, and comprehensive evaluation of hydraulic fracturing effect. The underground trial pointed out that: on the in-situ stress regime in the Caojiatan coal mine, that is the minimum principal stress is vertical stress, the hydraulic fractures were mainly horizontal fractures with a propagation distance of about 80 m on both sides of boreholes, the hard and complete roofs above the working face were effectively weakened, and regional roof reconstruction was achieved. The intensive ground pressure appearance of the working face was obviously reduced in the fracturing area, and production safety was ensured. Finally, the existing issues associated with hydraulic fracturing were discussed, and technical developments were envisaged.
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图 1 曹家滩煤矿2−2煤层顶板岩层分布
Figure 1. Roof strata distribution of coal seam 2−2 in Caojiatan Coal Mine
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图 4 不同钻孔倾角下水力裂缝三维扩展形态
Figure 4. Propagation of hydraulic fracture with different inclination angle of borehole
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图 5 不同应力场下裂缝三维扩展形态
Figure 5. Propagation of hydraulic fracture with different stress fields
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图 6 不同弹性模量岩层中裂缝穿层扩展特征
Figure 6. Propagation of hydraulic fractures in strata with different Young's modulus
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图 7 不同断裂韧度岩层中裂缝穿层扩展特征
Figure 7. Propagation of hydraulic fractures in strata with different fracture toughness
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图 8 不同水平最小主应力岩层中裂缝穿层扩展特征
Figure 8. Propagation of hydraulic fractures in strata with different minimum principal stress
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图 9 结构面赋存条件下裂缝三维扩展特征
Figure 9. Propagation of hydraulic fractures in strata under presence of structural plane
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图 11 工程尺度水力压裂数值模型裂缝扩展尺寸
Figure 11. Facture size simulated by numerical model of large-scale fracturing
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图 12 曹家滩煤矿井下区域水力压裂钻孔布置
Figure 12. Borehole layout of regional hydraulic fracturing in Caojiatan Coal Mines
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图 13 井下定向钻孔分段水力压裂工艺示意
Figure 13. Staged hydraulic fracturing of directional drilling of roof strata in underground coal mine
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图 14 122108工作面定向钻孔水力压裂典型曲线
Figure 14. Typical hydraulic pressure curve of directional drilling hydraulic fracturing in No.122108 working face
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图 16 曹家滩煤矿微震监测观测系统和速度模型
Figure 16. Geometry of microseismic monitoring of Caojiatan Coal Mine and velocity model
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图 18 122108工作面定向孔水力压裂的裂缝分布
Figure 18. Fracture distribution map of No.122108 working face directional hole hydraulic fracturing
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图 20 F1-1井压裂微地震定位结果
Figure 20. Microseismic locating results of hydraulic fracturing of well F1-1
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图 21 F1-1井第七段水力压裂微地震定位结果
Figure 21. Microseismic locating results of hydraulic fracturing of well F1-1 stage 7
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图 23 压裂前后周期来压步距与持续距离统计对比
Figure 23. Statistical comparison of periodic weighting step and duration distance before and after fracturing
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图 24 压裂前后周期来压动载系数统计对比
Figure 24. Comparison of dynamic loading coefficient of periodic weighting before and after fracturing
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图 25 压裂前后支架不保压率统计对比
Figure 25. Comparison of ratio of hydraulic support not maintain pressure before and after fracturing
类别 亚类 裂缝扩展规律 岩石力学性质 脆度 综合脆性指数IB > 50，容易产生复杂缝网；IB < 50，倾向于产生单一裂缝 KIC 断裂韧性越小，裂缝越容易扩展 KICV−KICH 差值越大，越倾向于沿水平方向扩展；差值越小，越倾向于产生复杂裂缝网 KIC层间差异 水力裂缝不易穿透高断裂韧性的相邻岩层 地应力 地应力模式 正断层和滑移断层应力状态下压裂产生垂直缝；逆断层应力状态下产生水平裂缝 水平地应力差异系数 < 0.3，形成复杂缝网；0.3~0.5，在较高压力下可以形成复杂缝网；> 0.5，单一裂缝 层间最小水平应力差 0~4，裂缝可以穿过隔层；4~8，部分穿过隔层；> 8无法穿过隔层 层理 层理面强度 低(<0.1)，无法穿过层理，产生T形缝；中(0.1~0.2)，产生伴随层理面滑移的钝化缝；高(>0.3)，
产生穿透层理的穿层缝天然裂缝 逼近角 < 45°~60°，水力裂缝沿天然裂缝扩展；> 60°~75°，应力差 < 4 MPa，沿天然裂缝扩展；
> 60°~75°，应力差 > 4 MPa，穿透天然裂缝开度与渗透率 开度或渗透率低，水力裂缝穿透天然裂缝；反之，水力裂缝无法穿透天然裂缝 
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表 2 F1-1井各段缝网空间分布
Table 2 Spatial distribution of fracture mesh in each section of Well F1-1
压裂段 主走向
NE/（°）长度
/m宽度
/m裂缝面积
/104 m21 95 290 50 1.4 2 85 285 50 1.4 3 70 300 80 2.4 4 — — — — 5 95 300 90 2.7 6 105 310 80 2.5 7 95 340 110 3.7 8 95 280 70 2.0 9 100 300 90 2.7 10 80 270 90 2.5 11 100 340 90 3.1 12 95 210 60 1.3
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