定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)在沖擊地壓防治中的應(yīng)用

王澤陽，鄭凱歌，王豪杰，劉昌益

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054)

煤炭作為我國的戰(zhàn)略性支柱能源，在短時(shí)期內(nèi)的地位不可動(dòng)搖，在百年未有之大變局的時(shí)代背景下，能源安全已經(jīng)成為國家安全戰(zhàn)略的重要組成部分。煤炭資源的安全高效回采是保障能源安全的前提，隨著我國淺部煤炭資源逐漸枯竭，煤炭開采不可避免地向深部轉(zhuǎn)移，但煤礦沖擊地壓的危害性與資源安全高效回采形成了難以協(xié)調(diào)的矛盾[1]。如何能在安全高效回采的前提下不發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)成為了世界性的采礦難題。近年來我國沖擊地壓監(jiān)測(cè)及治理手段進(jìn)步顯著，在沖擊地壓礦井廣泛使用并取得了良好的效果[2-9]。但目前應(yīng)用的沖擊地壓技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過程中存在不同程度的弊端，如大直徑鉆孔卸壓無法應(yīng)用于小煤柱工作面且需要及時(shí)封孔，否則易引起煤層自燃，形成次生災(zāi)害；深孔爆破所需炸藥領(lǐng)用手續(xù)繁瑣，危險(xiǎn)系數(shù)大；巷道頂板水力壓裂弱化范圍有限，無法滿足區(qū)域治理等[10-15]。為了保障工作面安全高效回采，筆者提出采用定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)對(duì)工作面頂板進(jìn)行大面積超前區(qū)域卸壓治理，基于理論分析、數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定了壓裂鉆孔在空間中層位關(guān)系。在納林河二號(hào)礦井開展了工程試驗(yàn)，實(shí)踐效果表明定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)防沖效果顯著，為沖擊地壓的防治解危提供了新的方向。

1 定向長鉆孔分段水力壓裂超前卸壓原理

由能量理論可知，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)積聚能量速度超過耗散速度則系統(tǒng)內(nèi)部總能量增加，系統(tǒng)處于熵增階段。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)總能量超過系統(tǒng)能夠自我平衡的能量閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將能量以某種形式進(jìn)行釋放。沖擊地壓是由圍巖-煤體系統(tǒng)積聚的彈性能超過了能量閾值導(dǎo)致的能量以動(dòng)能的形式瞬間釋放過程，可用式(1)表示：

(1)

式中：Ur——圍巖中儲(chǔ)存的能量；

Uc——煤體中儲(chǔ)存的能量；

Us——?jiǎng)虞d輸入能量；

Ub——系統(tǒng)自身能夠耗散的能量；

t——時(shí)間。

Ur及Uc與煤巖體本身的物理力學(xué)性質(zhì)及所處的應(yīng)力環(huán)境有直接關(guān)系。通過工程技術(shù)手段降低煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)及應(yīng)力集中程度能夠有效降低沖擊風(fēng)險(xiǎn)。

工作面回采過程中Us主要由頂板運(yùn)移引起，其中堅(jiān)硬頂板條件下頂板來壓引起動(dòng)能釋放為：

式中：m——斷裂頂板的質(zhì)量，kg；

u——頂板運(yùn)動(dòng)位移，m；

ρ——斷裂頂板密度，kg/m?倕；

l——斷裂頂板長度，m；

d——斷裂頂板寬度，m；

h——斷裂頂板厚度，m。

將式(3)代入式(2)可得

(4)

由式(4)可以看出，堅(jiān)硬頂板垮落時(shí)的長度l與寬度d可以控制輸入圍巖-煤體系統(tǒng)的動(dòng)載能量，從而降低沖擊地壓發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[16-24]。

綜上所述，在煤層堅(jiān)硬頂板進(jìn)行定向長鉆孔分段水力壓裂超前卸壓治理，一方面能夠在煤巖體中形成規(guī)模裂隙網(wǎng)格并浸潤巖層，利用水對(duì)巖石的劣化作用，降低煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力集中程度，從而降低圍巖-煤體系統(tǒng)的靜載能量；另一方面降低了堅(jiān)硬頂板塊度，從而降低圍巖-煤體系統(tǒng)的動(dòng)載能量。破壞沖擊地壓發(fā)生的能量條件，達(dá)到降低或者防治沖擊地壓的目的。壓裂弱化前后覆巖結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布如圖1所示。

圖1 壓裂弱化前后覆巖結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布

2 工程背景

2.1 工作面概況

31104工作面位于納林河二號(hào)礦井一盤區(qū)南翼，北臨3DHF1地質(zhì)異常體邊界，南臨G9-10天然氣管線保護(hù)煤柱及首采區(qū)邊界，東臨31103-1采空區(qū)，西臨31105工作面，如圖2所示。31104工作面主采3-1號(hào)煤層，煤層厚度為5.4～5.8 m，平均厚度5.5 m，層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，為近水平厚煤層。31104工作面柱狀如圖3所示。

圖2 31104工作面位置示意

圖3 31104工作面柱狀

3-1煤層經(jīng)沖擊傾向性鑒定，煤層頂板具有強(qiáng)沖擊傾向性，煤層具有弱沖擊傾向性，兩巷道采用錨-網(wǎng)-索聯(lián)合支護(hù)。其相鄰工作面在回采過程中出現(xiàn)多起沖擊地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。為了保障礦井安全高效生產(chǎn)，針對(duì)堅(jiān)硬頂板引發(fā)的沖擊地壓現(xiàn)象采用定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)對(duì)工作面頂板進(jìn)行區(qū)域超前卸壓治理。

2.2 典型沖擊顯現(xiàn)情況

31104工作面相鄰的31103工作面在回采期間發(fā)生過典型沖擊地壓顯現(xiàn)情況，具體情況見表1。從表1可以了解到“8·11”沖擊事件與“9·3”沖擊事件均發(fā)生在雙面見方區(qū)域，具體沖擊地壓顯現(xiàn)位置如圖4所示。

圖4 典型沖擊地壓顯現(xiàn)位置

兩次沖擊事件造成巷道變形嚴(yán)重，支護(hù)失效，巷道變形素描如圖5所示。由圖5可以看出，沖擊地壓在短時(shí)間內(nèi)多次顯現(xiàn)，嚴(yán)重制約了礦井的安全高效生產(chǎn)，因此31104工作面防沖形勢(shì)嚴(yán)峻，亟需補(bǔ)充防沖手段以遏制沖擊地壓事故的再次發(fā)生。

表1 典型沖擊地壓顯現(xiàn)情況

3 基于能量理論的水力壓裂層位判識(shí)方法

壓裂目標(biāo)層位的選擇直接關(guān)系著水力壓裂的防沖效果。因此筆者提出了一種基于能量理論的水力壓裂目標(biāo)層位判識(shí)方法。

3.1 水力壓裂層位判識(shí)流程

水力壓裂層位判識(shí)流程由以下3部分組成：通過覆巖硬層判識(shí)公式自下而上對(duì)工作面上覆巖層進(jìn)行硬層判識(shí)，得到覆巖中硬層所在位置；通過FLAC 3D數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)工作面進(jìn)行建模，模擬開挖過程，結(jié)合可釋放彈性應(yīng)變能公式篩選覆巖能量積聚重點(diǎn)層位；收集鄰近工作面回采全過程的微震事件數(shù)據(jù)對(duì)微震事件發(fā)育層位進(jìn)行分析，篩選覆巖能量釋放集中層位。上述3個(gè)層位的篩選結(jié)果取交集，最終確定水力壓裂層位，具體流程如圖6所示。

圖5 兩次事件巷道變形素描

圖6 水力壓裂層位判識(shí)流程

3.2 覆巖硬層層位的確定

覆巖中的堅(jiān)硬巖層是影響工作面礦壓顯現(xiàn)及沖擊地壓災(zāi)害的重要原因，因此需要對(duì)工作面覆巖中堅(jiān)硬巖層位置進(jìn)行判別。

覆巖堅(jiān)硬巖層判別方法是由下往上確定覆巖中的堅(jiān)硬巖層位置。此處的堅(jiān)硬巖層非一般意義上的堅(jiān)硬巖層，它是指那些在變形中撓度小于其下部巖層，而不與其下部巖層協(xié)調(diào)變形的巖層。假設(shè)第1層巖層為堅(jiān)硬巖層，其上直至第m層巖層與之協(xié)調(diào)變形，而第m+1層巖層不與之協(xié)調(diào)變形，則第m+1層巖層是第2層堅(jiān)硬巖層。由于第1層至第m層巖層協(xié)調(diào)變形，則各巖層曲率相同，各巖層形成組合梁，由組合梁原理可導(dǎo)出作用在第1層硬巖層上的載荷為：

(5)

式中：q1(x)|m——考慮到第m層巖層對(duì)第1層堅(jiān)硬巖層形成的載荷，kN；

E1——第1層彈性模量，GPa；

h1——第1層巖層厚度，m；

hi——第i層巖層厚度，m；

γi——第i層巖層容重，kN/m3；

Ei——第i層巖層彈性模量，GPa。

考慮到第m+1層對(duì)第1層堅(jiān)硬巖層形成的載荷為：

(6)

由于第m+1層為堅(jiān)硬巖層，其撓度小于下部巖層的撓度，第m+1層以上巖層已不再需要其下部巖層去承擔(dān)它所承受的載荷，則必然有：

q1(x)|m+1

(7)

將式(5)和(6)代入式(7)并化簡可得:

(8)

式(8)即為判別堅(jiān)硬巖層位置的公式。具體判別時(shí)，從煤層上方第1層巖層開始往上逐層計(jì)算，當(dāng)滿足式(8)則不再往上計(jì)算，此時(shí)從第1層巖層往上，第m+1層巖層為第1層硬巖層；從第1層硬巖層開始，按上述方法確定第2層硬巖層的位置，以此類推，直至確定出最上一層硬巖層(設(shè)為第n層硬巖層)。通過硬巖層位置的判別，得到覆巖中硬巖層位置及其所控軟巖層組[25]。

3.3 覆巖能量積聚重點(diǎn)層位的確定

根據(jù)工作面柱狀圖建立FLAC 3D數(shù)值計(jì)算模型，根據(jù)能量耗散與釋放原理在采場(chǎng)應(yīng)力環(huán)境產(chǎn)生的能量場(chǎng)中煤巖體單元總輸入能量表達(dá)為[26]：

(9)

式中：e——主應(yīng)力在主應(yīng)變方向做的總功，J；

σ1——最大主應(yīng)力，MPa；

σ2——中間主應(yīng)力，MPa；

σ3——最小主應(yīng)力，MPa；

ε1——最大主應(yīng)力方向上的彈性應(yīng)變；

ε2——中間主應(yīng)力方向上的彈性應(yīng)變；

ε3——最小主應(yīng)力方向上的彈性應(yīng)變。

引入彈性力學(xué)中胡克定律對(duì)煤巖體“應(yīng)力-能量”關(guān)系(9)推導(dǎo)得：

(10)

式中：E——彈性模量，GPa；

μ——泊松比。

因此求得煤巖體在上文假設(shè)前提(無熱交換與劣化損傷條件下)可釋放彈性應(yīng)變能Ue為:

利用FISH語言對(duì)FLAC 3D數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行二次開發(fā)，結(jié)合式(11)對(duì)各個(gè)單元的可釋放彈性應(yīng)變能進(jìn)行計(jì)算，輸出能量密度云圖。通過能量密度云圖確定能量積聚重點(diǎn)層位。

3.4 覆巖能量釋放集中層位的確定

采集現(xiàn)場(chǎng)相鄰工作面回采過程中的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)能量事件在工作面剖面圖上進(jìn)行定位。結(jié)合工作面柱狀圖對(duì)微震事件對(duì)應(yīng)層位的巖性進(jìn)行劃分。根據(jù)巖性劃分結(jié)果，統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)巖性層位的微震能量釋放特征，確定能量釋放的集中層位。

4 方法應(yīng)用及技術(shù)實(shí)踐

4.1 壓裂層位的確定

對(duì)31104工作面覆巖硬層進(jìn)行判識(shí)，判識(shí)結(jié)果見表2。由表2可以看出，31104工作面從頂板開始直至地表總計(jì)有8層硬巖。

表2 覆巖物理力學(xué)性質(zhì)及硬層判識(shí)結(jié)果

續(xù)表2

構(gòu)建FLAC 3D數(shù)值計(jì)算模型對(duì)31104工作面覆巖可釋放彈性能進(jìn)行探究，31104頂板上方可釋放彈性能能量密度分布如圖7所示。由圖7可以看出，31104工作面頂板上方有4層可釋放彈性應(yīng)變能能量密度較高的巖層，其中，能量密度高且厚度大的2層分別為頂板上方16.0 m處、厚度為25.70 m和頂板上方62.9 m處、厚度為28.56 m的細(xì)粒砂巖層，這兩層細(xì)粒砂巖為覆巖能量積聚重點(diǎn)層位。

根據(jù)采掘布置，收集31103工作面在回采過程中的微震事件并在剖面圖上進(jìn)行投影，為了能夠更好對(duì)微震事件發(fā)育高度進(jìn)行研究，選擇微震事件能量大于1×104J的事件進(jìn)行投影，如圖8所示。由圖8可以看出，微震在剖面上主要集中在工作面及上覆巖層中，微震事件發(fā)育高度可達(dá)煤層頂板100 m以上。

圖8 31103工作面微震事件剖面投影

通過對(duì)微震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，煤層頂板上方不同高度條件下1×104J微震事件能量特征有明顯差異，將不同高度微震事件頻次及平均能量整理后形成表格，見表3。微震事件在細(xì)粒砂巖中能量事件均值能量較高，分析可知煤層頂板上方39.7 m及74.4 m處細(xì)粒砂巖層微震事件平均能量高于其他層位，是覆巖能量釋放集中層位。

表3 大于1×104 J微震事件分布特征

對(duì)上述覆巖硬層層位、覆巖能量積聚重點(diǎn)層位以及覆巖能量釋放集中層位的分析結(jié)果取交集能夠得到，頂板上方16.0 m處、厚度為25.70 m，頂板上方62.9 m處、厚度為28.56 m細(xì)粒砂巖層應(yīng)當(dāng)是壓裂目標(biāo)層位，通過壓裂弱化巖體強(qiáng)度，以降低其儲(chǔ)存能量能力，抑制能量積聚。

4.2 壓裂鉆孔間距的確定

利用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)數(shù)值計(jì)算軟件構(gòu)建出200 m×100 m×50 m(長×寬×高)數(shù)值計(jì)算模型，并在模型中央開孔，注水孔直徑為96 mm，長度為100 m，與水平面夾角為0°，如圖9所示。由于研究巖體中的滲流問題，因此物理場(chǎng)選擇達(dá)西定律與固體力學(xué)。通過分析前期收集到的資料后確定COMSOL Multiphysics模型計(jì)算參數(shù)：細(xì)粒砂巖滲流系數(shù)K=1.2×10-8cm/s，孔隙率n=0.33，水密度ρ=1 000 kg/m3，水動(dòng)力粘度μ=1×10-3Pa·s。

采用自由四面體網(wǎng)格對(duì)數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格單元大小校準(zhǔn)為流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)，為了更加準(zhǔn)確地模擬注水孔周圍滲流場(chǎng)的分布情況，需要對(duì)鉆孔周圍的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。最終除鉆孔周邊單元，其余單元中最大單元大小為4.71 m，最小單元大小為1.41 m，最大單元增長率為1.15 m，曲率因子0.6，狹窄區(qū)域分辨率0.7。模型總計(jì)283 231個(gè)單元，網(wǎng)格體積總計(jì)1 000 000 m3。最終網(wǎng)格劃分如圖9所示。

圖9 COMSOL Multiphysics滲流場(chǎng)計(jì)算模型

在數(shù)值計(jì)算時(shí)模擬30 MPa注水壓力下，壓裂1 h后的巖體孔隙壓力場(chǎng)的分布情況。模擬結(jié)果如圖10所示。

圖10 鉆孔周邊孔隙水壓力模擬結(jié)果

提取出模型中孔隙水壓力與鉆孔垂向位置數(shù)據(jù)，經(jīng)整理后如圖11所示。由圖11可以看出，孔隙水壓力在鉆孔周圍達(dá)到峰值，隨著與鉆孔徑向距離的增加，孔隙水壓力迅速衰減；在距鉆孔5 m的范圍內(nèi)孔隙水壓力衰減速度最快。

格里菲斯強(qiáng)度理論認(rèn)為，具有張開型裂紋的巖體強(qiáng)度受裂紋尖端附近集中后的應(yīng)力大小控制的張性破裂強(qiáng)度準(zhǔn)則。由格里菲斯理論導(dǎo)出，巖體受力后使裂紋尖端附近應(yīng)力升高值達(dá)超其抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而引起裂紋擴(kuò)展所需滿足的應(yīng)力條件。

由表2可以看出，煤層頂板上方33 m及73 m對(duì)應(yīng)層位的細(xì)砂巖最大抗拉強(qiáng)度為5.74 MPa。根據(jù)格里菲斯強(qiáng)度準(zhǔn)則，由圖11可以看出，當(dāng)注水壓力達(dá)到30 MPa時(shí)，距離鉆孔37 m左右位置時(shí)，孔隙水壓力降低至5.80 MPa。水力壓裂宏觀裂隙拓展半徑為37 m左右，因此孔間距取75 m，鉆孔設(shè)計(jì)方案如圖12所示。

圖11 鉆孔周邊孔隙水分布特征

圖12 壓裂鉆孔設(shè)計(jì)

4.3 壓裂施工

利用定向鉆進(jìn)裝備，結(jié)合壓裂目標(biāo)層位結(jié)果，在31104工作面布置4個(gè)鉆場(chǎng)，共計(jì)6個(gè)鉆孔，其中高位鉆孔3個(gè)，低位鉆孔3個(gè)。具體鉆探及壓裂情況見表4。壓裂段位置平面投影如圖13所示。由圖13可以看出，壓裂段基本覆蓋了31104工作面距開切眼150～450 m范圍內(nèi)的頂板巖層。

圖13 壓裂段位置平面投影

4.4 效果評(píng)價(jià)

為了保證效果評(píng)價(jià)的合理性，選取與31104工作面地質(zhì)條件及開采條件相似的31120工作面進(jìn)行對(duì)比分析。

31120工作面位于一盤區(qū)北翼，南臨中央二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷，北臨納林河保護(hù)煤柱，西臨31121工作面采空區(qū)，東臨31119工作面。工作面長300 m，走向長度2614 m。工作面主采3-1號(hào)煤層，煤層厚度5.3～6.1 m，平均厚度5.7 m。

表4 鉆探及壓裂情況統(tǒng)計(jì)

在工作面煤體中布置深孔及淺孔應(yīng)力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄煤體內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)，將峰值應(yīng)力與穩(wěn)定應(yīng)力之差記為煤體應(yīng)力差值。煤體應(yīng)力差值能夠衡量工作面回采過程中煤體內(nèi)部受到動(dòng)載荷影響而形成的應(yīng)力波動(dòng)情況。煤體應(yīng)力差值與工作面位置關(guān)系如圖14所示，31104工作面壓裂區(qū)域煤體應(yīng)力平均差值為1.80 MPa，31120工作面相同區(qū)域煤體深孔應(yīng)力平均差值為5.92 MPa。31104工作面深孔煤體應(yīng)力平均差值較31120工作面降低了69.6%。在“一次見方”區(qū)域，煤體應(yīng)力波動(dòng)水平顯著降低，降低幅度達(dá)88%，表明定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)能夠顯著降低煤體內(nèi)部應(yīng)力波動(dòng)，降低煤體沖擊地壓的危險(xiǎn)。

圖14 工作面煤體應(yīng)力對(duì)比

在工作面布置微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)微震能量事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄。為了降低對(duì)比條件的差異性，選取31104工作面壓裂區(qū)域與31120工作面對(duì)應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生的微震事件進(jìn)行對(duì)比分析。

31104微震事件投影如圖15所示。由圖15(a)可知，31104工作面壓裂區(qū)域內(nèi)，平面微震事件最遠(yuǎn)出現(xiàn)在超前工作面前方412 m處，側(cè)向最大發(fā)育距離為99 m；由圖15(b)可知，微震事件最大發(fā)育高度為工作面煤層頂板上方53 m左右。

圖15 31104工作面壓裂區(qū)域微震事件投影

31120工作面對(duì)比區(qū)域微震事件投影如圖16所示。由圖16(a)可知，31120工作面與31104壓裂范圍的對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)，平面微震事件最遠(yuǎn)出現(xiàn)在超前工作面前方572 m處，側(cè)向最大發(fā)育距離為152 m；由圖16(b)可知，微震事件最大發(fā)育高度為工作面煤層頂板上方92 m左右。

31104工作面壓裂區(qū)域的微震事件分布特征與31120工作面相比，微震事件發(fā)育超前工作面距離減少28.0%，側(cè)向發(fā)育距離減少34.9%，最大發(fā)育高度減少42.4%。表明定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)能夠從三維空間上有效降低微震事件發(fā)育范圍。

圖16 31120工作面對(duì)比區(qū)域微震事件投影

將31104與31120工作面回采150～450 m范圍微震事件特征進(jìn)行對(duì)比，微震總能量與事件頻次對(duì)比如圖17所示，單刀能量對(duì)比如圖18所示。由圖17和18可以看出，31104工作面經(jīng)過定向長鉆孔分段水力壓裂超前卸壓治理后各項(xiàng)微震事件總能量由15 678 kJ降低至4 202 kJ，降幅達(dá)73%，事件頻次由4 436次降低至1 518次，降幅達(dá)66%，單刀能量由43 kJ降低至12 kJ，降幅達(dá)72%。表明定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)能夠有效降低頂板破斷時(shí)所釋放的能量，降低動(dòng)載荷影響。

圖17 31104工作面與31120工作面微震總能量與事件頻次對(duì)比

圖18 31104工作面與31120工作面刀能量對(duì)比

綜上所述，通過在工作面頂板運(yùn)用定向長鉆孔分段水力壓裂超前區(qū)域防沖治理技術(shù)能夠使煤體內(nèi)部應(yīng)力波動(dòng)程度顯著減小，令各項(xiàng)微震事件發(fā)育范圍及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)水平顯著降低，表明定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)防沖效果顯著。

5 結(jié)論

(1)煤層堅(jiān)硬頂板進(jìn)行定向長鉆孔分段水力壓裂超前卸壓治理能夠從靜載能量及動(dòng)載能量兩方面破壞沖擊地壓發(fā)生的能量條件，達(dá)到降低或者防治沖擊的目的。

(2)建立了基于能量理論的水力壓裂層位判識(shí)方法，綜合工作面覆巖中硬巖層位、能量積聚重點(diǎn)層位及能量釋放集中層位的判識(shí)結(jié)果最終確定了壓裂鉆孔布置層位為煤層頂板以上33 m及73 m的細(xì)粒砂巖中。通過建立多物理場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型探究了水力壓裂形成的孔隙水壓力場(chǎng)與鉆孔距離的關(guān)系，確定同一層位鉆孔間距為75 m。結(jié)合上述結(jié)果完成了水力壓裂鉆孔方案設(shè)計(jì)。

(3)在31104工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，工程實(shí)踐效果表明采用定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)進(jìn)行超前區(qū)域治理后，淺孔應(yīng)力波動(dòng)降低65.7%，深孔煤體應(yīng)力波動(dòng)降低69.6%。微震事件在空間中的發(fā)育范圍超前工作面距離減少28.0%，側(cè)向發(fā)育距離減少34.9%，最大發(fā)育高度減少42.4%。總能量、事件頻次及單刀能量分別降低73%、66%及72%，防沖效果顯著。