煤层气开发过程中，煤储层裂隙系统是流体流动的主要通道，对工程流体滤失、储层渗透率恢复和气水压降传递起着关键控制作用[1-3]。煤储层中的裂隙通道分为两类，一类是天然裂隙系统，另一类是改造后形成的压裂裂缝系统。天然裂隙和压裂裂缝间的相互耦合关系已成为现阶段一个研究热点[4-6]。
煤层中天然裂隙系统具有多尺度特征，从宏观构造断裂裂缝到微裂隙均有发育[7]。在应力改造作用下，煤层发生变形，煤体结构趋于复杂，也导致天然裂隙的多样性[8]。GAMSON等[9]提出煤储层是由割理、显微裂隙和孔隙组成的三元结构体系。一些学者基于计算机断层扫描技术[10-12]、核磁共振[13]、扫描电子显微镜[14]、分形和多重分形[15-16]、声发射技术[17-18]等对煤岩中天然裂隙形态进行了测试和表征，但是多集中于微纳米级别。王生维等[19-20]、侯光久等[21]通过矿井下描述构建了煤储层大裂隙系统模型，该模型阐明了外生节理、气胀节理和内生裂隙的空间关系。苏现波等[22]根据形态和成因，将煤中裂隙分为4类、7组、17型。此外，在相同的构造背景下，岩层节理发育规律对煤储层裂隙的方向和密度具有预测作用[23-27]。
天然裂隙的存在对水力压裂裂缝的开启和扩展有显著影响。在非常规页岩和致密砂岩储层中，天然裂隙和压裂裂缝的关系已被广泛研究。对于裂缝型煤层而言，对天然裂隙的精细刻画及其对压裂裂缝控制的定量分析尤为重要。目前，地面微地震[28]和电法探测[29]是检测压裂裂缝扩展行为的主要方法，此类方法评价的压裂裂缝范围为压裂过程中应力和流体传播的范围，比实际有效支撑裂缝长很多[29-30]，而且对复杂裂缝形态难以识别。此外，室内物理模拟实验表明煤岩压裂裂缝扩展形式以靠近注液孔壁的原生裂缝扩展为主[31]。由于地面监测和物理实验的局限性，众多学者利用离散元法[32]、有限元法和边界元法[33-34]、二维颗粒流代码(PFC2D)[35-36]等数值模拟分析方法，对压裂裂缝形态和压裂过程进行可视化和定量化表征。但是数值模拟方法无法模拟包括煤层结构、岩石物性以及天然裂隙等复杂环境下的真实地层条件，难以精确获取压裂裂缝的扩展范围和空间形态。
如果能够直接获取水力压裂后煤储层中的压裂裂缝参数，那么将弥补现行压裂裂缝监测和表征技术的缺陷，并且有助于多种方法探测结果的相互验证。因此通过煤矿井下原位观测开挖后的充砂压裂支撑裂缝无疑是一种直观有效的方法。20世纪80年代，美国学者在煤矿井下对压裂砂支撑的水力裂缝进行了观测，详细描述了T型压裂裂缝的几何形态[37-38]。后来我国学者在沁水盆地开展井下解剖工作，总结了煤层气直井压裂裂缝长度和延展方向[39]、压裂砂充填模式[29-30]和碎软煤层中压裂裂缝的扩展形态[40]、压裂裂缝形态对流体压降的控制规律[1]等。煤矿开挖成果也表明煤层压裂裂缝形态受煤层割理、构造应力、煤层和顶底板岩性力学性质差异性、煤粉源集合体以及不同岩性的界面效应等因素综合影响[41-44]。在此基础上，为精准揭示煤层气井压裂裂缝形态及其与天然裂隙的关系，笔者通过对沁水盆地南部寺河、成庄煤矿以及盆地北部新元煤矿的21口煤层气井开挖解剖，描述了煤储层天然裂隙系统，归纳阐明了不同水力压裂裂缝形态类型，提出了控制压裂裂缝形态的力学准则，并讨论了天然裂隙系统对压裂裂缝扩展的影响规律。本研究可为煤储层压裂工艺和地质特征适配性评价、水力压裂改造效果评价提供参考。
1 煤储层天然裂隙系统
在成煤作用、沉积作用和构造应力作用下，煤层中天然裂隙系统在尺度和空间形态上表现出强非均质性。惯用的裂缝导流能力定义为充填支撑剂的裂缝渗透率和裂缝宽度的乘积，结合狭窄裂缝内流体流动的立方定律，可知裂缝的导流能力与裂缝宽度呈正相关关系。因此，基于井下观测，且根据裂隙规模和导流能力将天然裂隙系统分为4级(表1)。一级～三级在矿井下肉眼可见，属于文献[19]中“煤储层大裂隙系统”范畴，此外，在深入开展煤储层裂隙系统解剖的基础上，本研究特别增加了目前没有引起广泛重视的层面裂隙和层理裂隙这种非构造作用形成的水平裂隙。其中，层面裂隙主要指煤层与顶底板之间、煤层内部宏观煤岩类型分层界面，裂隙面两侧岩性差异较大。
表1 煤层天然裂隙系统分类及特征
Table 1 Classification and characteristics of natural fracture system in coal seam
名称主要类型尺度/m成因分布位置产状级别层面裂隙岩层界面长度:1～100宽度:(0.1～100)×10-3沉积物质分异煤层与顶底板之间、煤层内部宏观煤岩类型分层界面水平一级外生节理 大型节理长度:0.1～100宽度:(0.1～100)×10-3次级节理长度:0.001～1宽度:(0.1～10)×10-3滑移面长度:0.001～1宽度:(0.1～10)×10-3构造应力作用构造应力,剪应力为主切穿顶底板、贯穿整个煤层或者数个煤分层,断裂面垂直或斜交一级煤分层内部垂直、斜交居多,水平较少二级构造煤体、破碎带各种产状二级气胀节理气胀节理长度:0.001～0.1宽度:(0.1～1)×10-3内生裂隙割理长度:0.001～0.1宽度:<1×10-3定向构造残余应力、内张力致基质脱水收缩光亮煤、半亮煤垂直三级层理裂隙层理面长度:0.01～1宽度:(0.1～1)×10-3沉积物质分异煤层内部水平三级微裂隙长度:0.000 1～0.01宽度:(1～10)×10-6煤化作用、上覆岩层静压力、后期构造应力煤基质内各种产状四级
天然外生裂隙发育程度也控制了煤体结构类型。原生结构煤中外生裂隙不明显，煤岩机械力学性质较强;碎裂煤外生裂隙发育适中;碎粒煤外生裂隙极度发育，煤体被切割成块;糜棱煤中外生裂隙已强烈变形，局部可见揉皱面和滑移面，碎块空隙中充填大量煤粉颗粒。因此，煤体结构也是天然裂隙演化的一种表现形式。在晋城寺河和成庄煤矿以及和寿阳新元煤矿的山西组3号煤层中靠近煤层底板部位，构造煤较为发育。煤储层天然裂隙系统中的规模较大的外生节理可以切穿整个煤储层，次级外生节理会受到煤岩类型和夹矸层的限制。气胀节理和内生裂隙在亮煤和镜煤中最为发育，因此半亮煤和光亮煤分层往往渗透性较高。其中，气胀节理规模介于外生节理和内生裂隙，其产状、节理面特征及发育载体等特征与内生裂隙极为相似，不同的是气胀节理往往切穿镜煤和亮煤组分并延伸进入相邻的组分中。以成庄煤矿3号煤储层为例，不同级别和类型的天然裂隙系统的空间关系如图1所示。
不同矿区的煤储层天然发育具有明显差异性，主要表现在各类天然裂隙发育层位、裂隙数量和方位、规模以及不同类型裂隙的组合方式。总体而言，研究区3号煤层中的大裂隙系统具有明显的方向性且间距分布显著。寺河煤矿主要发育原生结构煤和碎裂煤，外生节理密度较小，优势方位为NE和NW向(图2(a));成庄煤矿煤层天然裂隙系统较为发育，具有NNE和NNW向2个优势方位，而且天然裂隙往往成簇分布，每簇3～5条，局部可见煤层破碎带(图2(b))。寺河和成庄煤矿煤层大多为半亮煤和光亮煤，其内生裂隙和气胀节理也较为发育。此外，新元煤矿为煤与瓦斯突出矿井，煤岩坚固性系数普遍低于0.4，碎粒煤-糜棱煤等构造煤常发育于煤层底部和中下部，而且可见小型断层，两组外生节理的优势方位为NW和NNE向，且裂隙间距较远(图2(c))。
图1 成庄煤矿3号煤储层天然裂隙系统特征
Fig.1 Sketch map of natural fracture system of the No.3 coal reservoir in Chengzhuang coal mine
图2 研究区3号煤储层大裂隙系统发育特征
Fig.2 Visible fracture system of the No.3 coal reservoir in the study area
此外，这3个煤矿煤层的层面和层理等水平裂隙均较为明显。其中，寺河和成庄煤矿煤层厚度约6 m，煤层顶板和底板岩性主要为泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩，煤层和顶板间层面裂隙清晰，无充填或者有少量方解石充填，煤层内部宏观煤岩类型分层数量多，一般为6～8层，其中包含1～3层夹矸。由于成庄煤矿煤层较寺河煤矿受构造应力改造更强烈，因此各种天然裂隙数量较多、规模较大。对于新元煤矿，煤层平均厚度2.80 m，顶板多为泥岩、砂质泥岩，煤层与顶板间的水平裂隙显著，并可见方解石充填，充填物厚度最大接近1 cm，煤层内部宏观煤岩类型分层一般为4～6层，其中包含1～2层夹矸。总体而言，夹矸与煤分层之间的层面裂隙较相邻煤分层间的层面裂隙显著。半亮煤和光亮煤分层中，发育镜煤和亮煤条带，不同煤岩组分间的界线或者裂隙面清晰，但是裂隙开度不明显。因此，在同一煤层内部，煤层与顶底板间、煤分层与夹矸间的层面裂隙更容易被外界带压流体打开。
2 压裂裂缝扩展形态及成因
2.1 观测方法
沁水盆地是我国煤层气开发最成功的的地区，在煤层气开发时遵循先采气后采煤的原则，也充分利用了采煤采气一体化技术[45-49]。位于煤矿生产区的地面抽采井在巷道掘进和回采时将会被揭露，为井下观测获取压裂裂缝形态参数提供了可靠观测点。提前掌握地面抽采井在煤层中的靶点坐标，随着掘进或回采工作面的推进，从工作面距井筒靶点100 m的位置开始连续跟踪观测，至距靶点50 m处开始结合井下生产工序每5～10 m进行一次精细描述，直到远离井筒100 m的范围。以支撑剂作为压裂裂缝追踪的主要标志物，对抽采井筒周围煤层中压裂支撑裂缝和未支撑天然裂隙的方位、规模和穿层性等进行实地测量。针对没有揭露的煤柱中的井筒，将其周围分散的压裂砂、突出裂隙带、锚索水等作为显示压裂裂缝的标志性特征。在实际工作开展过程中，用矿用防爆相机获取了部分揭露井的压裂裂缝照片，也有相当一部分井的观测是先通过井下记录和素描，待升井后以示意图形式展示。此外，该观测解剖手段和结果一定程度上也会受巷道或者回采工作面的空间限制。
井下总共解剖了21口煤层气井(表2)，目的层位均为山西组3号煤层。图3为不同类型压裂裂缝形态的压裂井数量统计直方图，其中，垂直缝12口，水平型缝4口，“T”型缝和倒“T”型缝各2口，“工”型缝1口。寺河、成庄煤矿相毗邻，煤层埋深200～500 m，解剖17口井，垂直压裂填砂裂缝长度0.5～40 m，多为5～15 m。新元煤矿煤层埋深550～610 m，解剖4口井，垂直压裂填砂裂缝长度2～6 m，水平支撑裂缝长度最远可达20 m。
表2 煤层气井压裂支撑裂缝井下观测参数
Table 2 Parameters of propped hydraulic fractures for coalbed methane wells based on subsurface observation
煤矿编号井号埋深/m垂直压裂裂缝方位/(°)垂直压裂裂缝长度/m压裂裂缝形态天然外生节理优势方位寺河(晋城)1号SH-063220 8011.0垂直2号SH-35254 水平3号SH-298259 6011.5垂直4号SH-34276 水平5号SH-023282 307.0垂直6号2012ZX-F-04295 608.0垂直7号SHFT-02300 3153.0垂直8号P-6300 3060.8垂直9号P-4330 3056.0“T”10号SH-36331 水平11号SH-126332 358.0垂直12号SHX-168334 3555.0垂直13号SH-124374 206.5垂直14号SH-125420 102.0“T”15号SH-180494 5014.0垂直NE,NW成庄(晋城)16号CZ-024497 4040垂直17号CZ-225501 45,09.0,0.5垂直NNE,NNW新元(寿阳)18号XY-5551 3152.3倒“T”19号XY-3568 2806倒“T”20号XY-1592 3283“工”21号XY-2606 水平NW,NNE
图3 煤矿井下解剖的不同类型压裂裂缝形态的井数统计
Fig.3 Statistics of the number of wells with different types of hydraulic fracture in the coal mines
2.2 压裂裂缝几何形态类型
(1)垂直压裂裂缝形态。垂直压裂裂缝与煤层水平方向呈高角度相交或者近垂直。水力压裂时，受煤层顶底板应力屏蔽作用，压裂裂缝往往在本煤层扩展，该类压裂裂缝形态是井下解剖结果中最多的类型，占到所有类型压裂裂缝井数的一半(图3)。垂直压裂裂缝受天然高角度外生节理的控制作用明显，首先压裂液更倾向于进入流体注入能量最小的已存天然裂隙，从而沿着天然裂隙扩展;其次，在天然裂隙密集发育部位，压裂裂缝容易形成多裂缝复杂形态。例如，成庄煤矿天然裂隙以两组优势方位NNE和NNW向多成簇分布，揭露的CZ-024井近井筒多条压裂充砂裂缝与天然裂隙产状和形态极为相似，可判断压裂裂缝沿原有天然裂缝扩展(图4)。此外，在井筒附近，压裂裂缝也可以切穿整个煤层。随着裂缝继续延伸，裂缝尖端流体压力下降，压裂裂缝有时会受到坚硬夹矸层的阻断，在受阻部位因应力集中导致煤岩较破碎，主干压裂裂缝出现分叉现象，例如寺河煤矿的SH-063井(图5)。
图4 成庄煤矿CZ-024井近井筒压裂支撑裂缝形态
Fig.4 Morphology of propped hydraulic fracture of CZ-024 well in Chengzhuang coal mine
图5 寺河煤矿SH-063井垂直压裂裂缝示意
Fig.5 Schematic diagram of vertical hydraulic fracture of SH-063 well in Sihe coal mine
另外，压裂裂缝延展过程中，经常会遭遇构造煤分层的影响，一方面构造煤部位堆积大量支撑剂，另一方面压裂裂缝延展方位发生转变，形成路径曲折的流体通道。由于裂缝曲折、传播路径摩阻较大，垂直压裂裂缝在压裂施工曲线上主要表现为压力波动频繁，多毛刺;如遇高阻地质体，例如大规模的构造煤，则压力会大幅提高，波动幅度增大。
(2)水平压裂裂缝形态。该压裂裂缝并非水力压裂产生的“新裂缝”，主要是水动力作用下煤层自身发育的3种水平天然裂隙开启所致，包括煤层与顶板间的层面裂隙、煤层与底板间的层面裂隙以及煤层内煤岩类型分层层面裂隙。部分水平天然裂隙抗张强度极弱，压开后裂缝延展范围较远，支撑剂铺展较为平整。相对应的压裂施工曲线中井底压力表现相对平滑，压裂裂缝延展顺利，注入液量与造缝和滤失的液量保持相对平衡。此外，在构造软煤分层内部也可以观察到支撑剂与煤粉颗粒混合，这种特殊的水平压裂裂缝往往不具有典型的裂缝形态且延伸较短。例如新元煤矿XY-1井煤层底部糜棱煤中可见一条水平支撑裂缝，该裂缝从井筒向外延伸2.2 m，裂缝形态曲折不规则，压裂砂铺展凹凸起伏，厚度1.5～5 cm(图6)。
图6 新元煤矿XY-1井构造煤层内支撑剂形态
Fig.6 Morphology of propped hydraulic fracture of XY-1 well in Xinyuan coal mine
(3)“T”型及倒“T”型压裂裂缝形态。与形态单一的垂直或者水平压裂裂缝相比，该种裂缝较为复杂，或称为多裂缝。多种情况下，这类压裂裂缝形态在井下无法完整地观测到，而是由煤层内垂直压裂裂缝与煤层和顶底板间的水平压裂裂缝组合得到。在天然裂隙和地应力作用下，压裂裂缝在井筒处煤层中首先形成单一的裂缝，在裂缝扩展过程中受到局部应力或者薄弱面变化的影响，主干压裂裂缝发生转向，从而形成非对称的“T”型及倒“T”型裂缝。在井筒周围煤层底部发育构造煤分层时(图7)，压裂裂缝首先沿着该软弱分层延展，延展距离很少超过2.5 m，然后向上扩展，既反向沟通井筒，又向远处延伸，因此这种情况下在井筒附近形成倒“T”型压裂裂缝，远端为垂直压裂裂缝。
图7 新元煤矿XY-3井倒“T”型压裂裂缝形态剖面示意
Fig.7 Schematic diagram of inverted T-type hydraulic fracture of XY-3 well in Xinyuan coal mine
(4)“工”型压裂裂缝形态。该类压裂裂缝比“T”型及倒“T”型压裂裂缝的更复杂化，或者由它们近一步扩展而来。井下观测表明，“工”型压裂裂缝多由煤层与顶板间水平裂缝、煤层底部构造软煤层内水平裂缝以及单一垂直裂缝构成(图8)。此外，在顶底板力学性质相似时，顶底板与煤层间的层面裂缝也会被打开。需要说明的是，顶底板与煤层间的水平裂缝可能不是被同步压开，而是在垂直压裂裂缝扩展过程中先后被压开的，也具有非对称性。
图8 新元煤矿XY-1井“工”型压裂裂缝形态剖面示意
Fig.8 Schematic diagram of inverted I-type hydraulic fracture of XY-1well in Xinyuan coal mine
3 天然裂隙对压裂裂缝扩展的影响
3.1 压裂裂缝形态判别准则
假设煤层的垂向主应力、最大水平主应力和最小水平主应力分别为σv，σH，σh，地层的三轴应力分别为σ1，σ2，σ3，且σ1>σ2>σ3，理论上压裂裂缝开启形态和主应力之间的关系如图9所示。根据沁水盆地南部寺河矿实测地应力数据(表3)，该区3号煤层埋深大于210 m，地应力状态为σH>σv>σh[30]。沁水盆地北部寿阳地区的新元煤矿煤层埋深多在550 m左右，地应力状态为σv>σH>σh[40]。由材料力学格里菲斯原理可知，压裂裂缝开启方向为最小主应力方向，延展方向平行于最大主应力方向。按照该原则判断，研究区压裂裂缝的启裂方向理论上垂直于水平方向，均形成垂直压裂裂缝。根据井下解剖的压裂裂缝形态，尽管发现多数抽采井水力压裂后为垂直压裂裂缝，但是也存在相当数量的水平压裂裂缝以及垂直缝和水平缝组合的复杂压裂裂缝，这种现象显然并不能与地应力状态对压裂裂缝形态的理论判断完全吻合。因此，相对于天然裂隙系统发育的煤层而言，判断压裂裂缝形态除了要依据实测地应力大小和方向，还需要考虑天然裂隙的影响。
图9 压裂裂缝形态与最大主应力(σ1>σ2>σ3)分布关系
Fig.9 Distribution relationship between hydraulic fracture morphology and maximum principal stress (σ1>σ2>σ3)
天然裂隙实质上是岩石物性的1个影响参数，减弱了岩石力学强度。岩石的抗拉强度或者结合力是压裂裂缝能否张开的1个重要参数。因此，需要将地应力状态判断压裂裂缝启裂方向进行修正，即用地应力与岩石结合力之和来判断。假设与煤层三轴应力方向对应的岩石结合力分别为Sv，SH和Sh，那么当(σv+Sv)>min[(σH+SH),(σh+Sh)]，即水平方向的力最小时，则形成垂直压裂裂缝;(σv+Sv)
表3 寺河煤矿各测点地应力测试结果
Table 3 Test results of each measuring point of in-situ stress in Sihe coal mine
测点埋深/mσv/MPaσH/MPaσh/MPa最大水平地应力方向测点1439.710.9913.006.74N17.4°W测点2325.08.1312.526.70N42.3°W测点3310.07.7511.346.40N49.7°E测点4300.07.5011.117.45N46.2°W测点5210.05.257.633.78N30.2°E
无构造作用情况下，则水平方向的2个地应力相等，实际上研究区经历了数期构造运动，现今煤层地应力表现出极强的非均质性，例如表3中寺河煤矿随煤层埋深增加，垂向地应力增大，水平地应力比值为1.5～2.0，最小水平地应力值在测点4出现异常，并未随深度增大而逐渐增大，而比该测点更深煤层的最小水平地应力还要大，因此地应力测量数据只能作为研究区的应力条件的参考，如果准确到观测井的地应力值，以现有资料难以获取。
根据寺河煤矿5个测点地应力数据，在煤层埋深300 m附近，垂向地应力与最小水平地应力最为接近，因此理论上判断该深度为地应力临界转换深度，换言之为水平压裂裂缝与垂直压裂裂缝形态的临界转化深度。若排除埋深300 m这个测点的地应力数据，根据其余4个测点，210 m以深煤层中没有垂直地应力均大于最小水平地应力的情况，则不存在临界转化深度，从而推断临界深度小于210 m。举例说明岩石结合力的相对大小，SH-034井煤层埋深276 m，压裂裂缝形态为水平型，根据测点3，5，该深度条件下垂直地应力与最小水平主应力的差值为1.35～1.47 MPa，根据压裂裂缝启裂方向为地应力与岩石结合力之和最小值方向，可以推断出最小水平地应力方向的岩石结合力大于垂向上岩石结合力的值为该地应力的差值。对于寿阳地区新元煤矿的XY-2井的煤层内部层面间水平压裂裂缝，根据文献[40]可知，埋深600 m附近垂向地应力和最小水平地应力分别为15 MPa和10 MPa，如果水平层面裂隙为张性裂隙，可忽略结合力，那么可以判断该井最小水平地应力方向煤层结合力至少大于5 MPa。因此，对于大于临界深度的水平压裂裂缝，其形态更容易受到水平天然裂隙的控制。
3.2 压裂裂缝扩展方位的选择性
煤储层天然裂隙系统中一级天然裂隙对压裂裂缝扩展具有支配作用，在一级天然裂隙不发育的部位二级天然裂隙影响突出。至于三、四级天然裂隙，井下观测到压裂支撑剂侵入现象不明显，因此对主干压裂裂缝扩展影响较小，但对压裂液的滤失和扩散作用明显。
从井下解剖得知水平压裂裂缝主要是沿着煤层中水平方向天然裂隙扩展。对于垂直压裂裂缝而言，理论上其扩展方位主要受到天然外生节理和地应力的影响。研究区煤层地应力状态为垂直主应力大小居于最大水平主应力和最小水平主应力之间，假如3个地应力方向上的含裂缝煤岩的岩石结合力相同，煤层发育天然垂直裂隙，为张性破裂。根据近井筒煤层是否发育外生天然裂隙讨论压裂裂缝延展方位。
(1)当近井筒周围发育天然裂隙时，根据能量最小原则可知，高压流体首先进入天然裂隙，压裂裂缝沿着天然裂隙延展。当压裂裂缝达到远井地带后且天然裂隙不发育，压裂裂缝发生转向沿着最大主应力方向扩展。压裂裂缝转向半径[50-51]为
(1)
式中，R为裂缝转向半径，m;K1为应力强度因子，MPa·m-0.5;κ为最大水平主应力和最小水平主应力之比。
应力强度因子受缝内净压力和裂缝长度的制约[52]有
(2)
式中，pnet为缝内净压力，MPa;l为缝长，m。
根据KGD裂缝扩展模型可得缝内净压力[53]为
(3)
式中，E为岩石弹性模量，GPa;μ为压裂液黏度，mPa·s;Q为注入排量，m3/s;H为裂缝高度，m。
联立式(1)～(3)可得
(4)
式中，λ为试验系数，一般取0.1～0.5。
近井筒附近存在天然裂隙这种情况下，压裂裂缝扩展方位优先沿着天然裂隙，最终转向最大主应力方向，其转向半径受到地应力、煤岩力学性质、压裂液注入排量和黏度、缝高等参数的影响。如果压裂裂缝转向过程中又遭遇天然裂隙时，则需要进一步分析，同下述情况(图10)。
(2)当近井筒附近不发育天然裂隙时，压裂裂缝在井筒处启裂后沿着最大水平主应力方向延展，当遭遇垂直天然裂隙时，压裂裂缝的扩展规律受到天然裂隙和地应力的共同控制(图10)。
图10 垂直天然裂隙和水平主应力关系示意
Fig.10 Schematic diagram of relationship between natural fracture and horizontal principal stress
根据二维线弹性理论和库伦-莫尔破坏准则，可得天然裂隙走向与最大主应力方向间夹角的临界值β，用以判断压裂裂缝延展方向对2者的选择性。临界夹角与煤岩抗张强度、水平主应力差有关[54]:
(5)
式中，β为压裂裂缝沿天然裂隙扩展时最大水平主应力与天然裂隙走向的临界夹角，(°);S1为含天然裂隙煤岩的抗张强度，MPa;S2为不含天然裂隙煤岩的抗张强度，MPa。
天然裂隙与最大水平主应力方位间的夹角θ大于临界夹角β时，压裂裂缝沿最大水平主应力方向延展，反之压裂裂缝沿天然裂隙延展。已有研究表明，寺河和成庄煤矿煤层垂直外生节理和最大水平主应力方位均为NNE向[55-56]，二者之间的夹角较小，因此可以判断该区的垂直压裂裂缝基本是沿着天然外生节理扩展的。对于新元煤矿，根据文献[57]可知寿阳地区最大水平主应力方位为276°～335°，平均方位为318°。根据新元煤矿掘进工作面连续观测，煤储层两组天然外生节理优势方位为NW和NNE向(图11)，其中解剖的XY-1井、XY-3井和XY-5井3口具有垂直压裂裂缝的抽采井附近NW向的天然外生裂隙方位分别为320°,350°和315°，因此天然裂隙方位和最大水平主应力间的夹角分别为2°,32°和3°。根据煤层气井岩芯样品测试，新元煤矿完整煤岩的抗张强度为1.7 MPa，含天然裂隙的煤岩一般无明显抗张强度，最大与最小水平地应力差值为3 MPa，该条件下理论计算临界值β为49°。可见，新元煤矿3口井天然裂隙方位和最大水平主应力间的夹角均小于临界夹角，故压裂裂缝更倾向于沿着天然裂隙的方位扩展。
图11 新元煤矿煤储层天然外生节理统计
Fig.11 Statistics of natural exogenetic joints in coal reservoir of Xinyuan coal mine
4 结 论
(1)根据裂隙规模和导流能力，煤储层天然裂隙系统分为4级，分别为层面裂隙和外生节理，次级外生节理和滑移面，气胀节理、内生裂隙和层理裂隙，以及微裂隙。在寺河、成庄和新元煤矿井下对21口抽采井的压裂支撑裂缝进行连续追踪切片式观测，发现有垂直裂缝、水平裂缝、“T”型和倒“T”型裂缝、“工”型裂缝等4种主要压裂裂缝空间展布形态。
(2)一级天然裂隙对压裂裂缝的扩展起到主要的控制作用。对于水平压裂裂缝，其方向是沿着煤层与顶底板间层面裂隙、煤层内部各分层层面裂隙延展的。对于垂直压裂裂缝，其扩展方向具有明显的选择性，受到最大主应力和天然裂隙的共同控制。近井筒部位发育天然裂隙时，垂直压裂裂缝直接沿着外生节理方向延伸，然后在远井部位发生转向沿着最大主应力方向延伸，从而形成具有一定曲率半径的压裂裂缝形态。反之，垂直压裂裂缝沿着最大主应力方向延伸，并且在遇到天然裂隙时，会根据二者的夹角判断扩展方位。研究区的最大主应力方向与天然裂隙走向的夹角小于临界夹角，垂直压裂裂缝更倾向于沿着天然裂隙扩展。
(3)研究区煤层埋深普遍较浅，在垂向地应力和最小水平地应力相差较小时，复杂压裂裂缝往往容易形成。由于层面裂隙引起的煤层抗张强度的差异，通过引入岩石结合力，提出利用地应力和相应方向岩石结合力之和的大小判断压裂裂缝开启方向，能够合理解释多裂缝形态的形成。岩石结合力受到天然裂隙性质如两侧岩性、充填物等的影响在煤层不同部位差异性明显，井下精细观测并结合实验室力学测试有助于该参数的确定。
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