12月9日，康红普院士团队在《煤炭科学技术》发表题为《煤矿井下定向钻孔水力压裂岩层控制技术及应用》的文章，这也是《煤炭科学技术》纪念创刊50周年专辑的特约稿件之一。
研究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，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。
陕西陕煤曹家滩煤矿位于榆神矿区，设计生产能力为 1.5Mt/a。122108 工作面开采 2-2 煤层，埋深255~338m，可采厚度 8.08-12.36m，平均 11.22m，属于特厚煤层、特厚稳定顶板岩层工作面条件。采用综放开采方法，割煤高度 6m，放煤高度 4m。工作面液压支架（基本架）参数：支架高度 3400～6300mm，工作阻力 21000 kN。
为了解决特厚煤层特厚坚硬顶板工作面强矿压问题，开展了井下区域定向水平钻孔区域压裂技术研究与试验，并采用三维水力压裂数值模拟（XSite）开展顶板岩层水力裂缝三维扩展分析。
122108 工作面出现强矿压、液压支架损坏的核心原因是工作面上部存在多层完整坚硬岩层，煤层采过后顶板不能及时垮落。另外，开采煤层厚度大、产量高也是一个重要原因。综合确定压裂层位为顶板以上10、23、38m。压裂工程分两期，每期沿工作面走向 500m，共 1000m。顶板岩层中共布置 3 排钻孔，分别位于顶板以上 10m、23m、38m 层位，每排钻孔数量分别为 6、5、6。
水力压裂工艺中钻孔和压裂地点位于回撤通道、回采顺槽的钻场中，定向钻孔深度为500~800m。采用跨式封隔器封闭压裂段、后退式分段压裂工艺。
采用的主要设备包括履带式全液压定向钻机、井下专用大流量压裂泵组、压裂工具串、工况监测、安全监控仪器等。
井下试验表明：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，沿钻孔两侧扩展距离为 80m 左右。压裂后，工作面周期来压步距、周期来压持续距离、周期来压平均动载系数、液压支架不保压率等显著减少，微震事件总个数和总能量分别下降50%以上、近 70%。水力压裂有效改造了特厚坚硬、稳定顶板岩层结构，显著减轻了工作面矿压显现程度，确保了工作面安全生产。
研究最后，研究人员提出了煤矿井下水力压裂需要继续深入研究的问题：
(1) 继续深入开展煤矿井下压裂过程中岩石力学行为与水力裂缝扩展的基础理论研究。包括不同地应力场下岩层裂缝网络形成机制与控制方法；应力场、渗流场、天然裂隙耦合作用下裂缝扩展特征；多场耦合条件下三维裂缝网络力学模型；水力缝网岩层结构改造对围岩应力场的影响规律等，为水力压裂设计提供可靠的理论基础。
(2) 研发煤矿岩层压裂液体系。压裂液是造缝介质，其性能是缝网展布形态的决定性因素。基于煤矿岩层特性，研发环保型超低滤失压裂液，对不同压裂液的泵注顺序、泵注体积、黏度及排量等参数进行深入研究；对不同岩性、不同黏土含量和不同水敏矿物组成岩层的水化作用进行深入研究，确定适用于煤矿地层的压裂液体系。
(3) 不断改进和完善井下水力压裂技术、工艺及装备，增大井下压裂泵组的流量与压力，提高压裂效果。引进油气行业先进技术，包括：暂堵转向压裂技术、定向深孔全程固孔水力射孔压裂技术等，解决压裂技术难题。
(4) 研发井下岩层关键参数随钻实时测量技术与装备，为动态、实时调整压裂层位与参数提供手段。改进、完善及研发新的水力裂缝地面、井下长期实时监测技术与仪器，实现裂缝的精准定位与实时、动态捕捉。进一步深入研究水力压裂效果综合评估方法，提高评价的科学性、合理性与可靠性。
(5) 构建集地质参数随钻测量、压裂层位确定与参数设计、压裂液体系、多样化压裂工艺、自动化与智能化压裂设备、裂缝扩展实时监测与可视化平台、压裂效果多指标综合评价方法的一体化煤矿井下水力压裂技术体系，为煤矿岩层控制提供精准、有效的技术手段。
曹家滩煤矿 2-2煤层顶板岩层分布
曹家滩煤矿井下区域水力压裂钻孔布置
井下定向钻孔分段水力压裂工艺示意图
122108工作面定向钻孔水力压裂典型曲线
122108工作面定向孔水力压裂的裂缝分布图
拓展阅读：
