王莊煤礦740水平地應力測試研究

胡學軍

（1.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.山西潞安元豐礦業有限公司，山西省長治市，046204）

王莊煤礦740水平地應力測試研究

胡學軍1，2

（1.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.山西潞安元豐礦業有限公司，山西省長治市，046204）

針對王莊煤礦地質構造情況，采用小孔徑水壓致裂地應力測量裝置，對740水平進行地應力測試。結合礦井區域地質構造和煤巖層賦存條件，分析了該水平地應力的特點。研究表明，該研究區域的地應力基本上是由自重應力和水平構造應力構成，構造應力在地應力中所占比重大于自重應力；最大主應力在近水平方向，最大水平主應力方向主要集中在N42.0°W～N59.2°W之間，最大水平主應力與巷道的夾角近似超過45°。

地應力測量 水壓致裂法 應力場 分布特征

TD311

A

地應力是采場工作面、巷道圍巖中產生礦井動力現象的根本作用力。隨著采場規模的擴大和向深度發展，地應力對圍巖變形與破壞的影響更加突出。在煤礦礦區進行地應力測量并分析地應力場分布特征，對礦井初期規劃時工作面與巷道布置、開采期間的支護設計具有重要意義。

地應力測量方法有多種，根據測量基本原理不同，可將測量方法分為直接測量法和間接測量法。直接測量法包括扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應力計法和聲發射法，間接測量法包括套孔應力解除法、局部應力解除法、松弛應變測量法和地球物理探測法。目前，水壓致裂法由于其操作與設備相對簡單，測量深度較深，得到了廣泛應用。

本文采用水壓致裂法對王莊礦區740水平進行地應力測試，布置了多個測點，監測分析礦區740水平地應力場特征與規律，為巷道支護設計提供依據。

1 水壓致裂法

水壓致裂法是近幾年發展起來的。其方法是利用膨脹封隔器在已知深度上封隔一段鉆孔，然后對封隔器之間的巖孔進行高壓注水。利用記錄到的破壞壓力、瞬時關閉壓力和使破裂重新張開的壓力，確定水平主應力值，再通過印模套筒向鉆孔壁膨脹，印下破裂的印痕，從而確定破裂方位，而破裂的方向也就是水平最大主應力方向。采用水壓致裂法操作過程如下：

（1）根據地質編錄及地質柱狀圖，巖芯及井徑測井資料選取鉆孔測試段。一般情況下，要求所選取的測試段為完整巖石段，并且其長度大于1.5m。為保證獲得更多的有效數據，對每個孔盡可能多地選擇一些測試段。

（2）鉆桿泄漏試驗。正式壓裂以前，對測試所用鉆桿進行泄漏試驗。試驗壓力大于15MPa，對有輕微泄漏的鉆桿及接頭進行技術處理或更換，以保證測試數據的可靠性。

（3）將封隔器安置在預期的試驗段。

（4）對試驗段進行測漏試驗。對封隔器進行打壓，將測試段封隔，然后以較小的壓力（壓力值視巖性而定）向封隔段內注水，壓力達到一定值后停止泵入，然后關閉高壓泵，從壓力隨時間的下降曲線判斷測試段的泄漏情況。將泄漏比較嚴重的測試段剔除，重新選擇測試段。反之，即可進行下一步工作。

（5）破裂試驗。將水泵入測試段，以使測試段加壓，當測試段井壁（孔壁）由于水壓產生破裂時停泵，待壓力穩定后將壓力管道的壓力與大氣接通，打開閥門迅速將水返出。

（6）重張試驗。待壓裂管道內的壓力回零后，開始第二次注水，直到第一次產生的破裂縫重新張開，然后關泵，繼續記錄一段壓力隨時間的衰減曲線后，使壓力回零。一般情況下，重張試驗需重復3～4次。

（7）鉆孔破裂印模，將帶有羅盤定向裝置的印模膠筒下到已經產生壓裂縫的孔段，加壓并保持一段時間，一般要在0.5～1h左右，然后把其拿出孔外，把印模膠筒上的裂縫痕跡描在專用薄膜上，記錄好相應的參數，以備整理。

2 測試地點地質條件及分布

2.1 測點地質概況

5205工作面掘進3＃煤層，賦存于二疊系山西組地層中，為陸相湖泊型沉積，煤層厚6.91m，厚度穩定，全煤含夾矸5層，其中上分層含夾矸2層，下分層含夾矸3層，總厚度0.42m。南鄰52輔助運輸巷，北為5207已采工作面，西接52運輸巷，東為13放水巷。該工作面整體上看為一向西北方向傾斜的單斜構造，局部略有起伏，煤層傾角為1～7°。

2.2 測點布置

第一測站設在王莊礦43三下山。該巷道沿3＃煤層頂板掘進，巷道采用錨桿支護，巷道高3.20m。從頂板地應力測試孔所取出的巖芯來看，巷道頂部7.1m為灰黑色泥巖和砂質泥巖，其中1.5m內巖芯破碎，4m處有破碎帶存在，整體巖芯較破碎；7.1m以上為白砂巖，致密堅硬，巖芯較完整，局部有縱向裂隙。

第二測站設在王莊煤礦43二下山軌道巷中。該巷道沿3＃煤層頂板掘進，巷道采用錨桿支護，巷道高3.20m。分析頂板地應力測試孔取出的巖芯，巷道頂部0～3.4m為灰黑色泥巖和砂質泥巖，巖芯極不完整；在1.88～2.03m處有縱向裂隙；3.40～19.10m為砂巖，致密堅硬，巖芯較完整，局部有縱向裂隙。

第三測站設在王莊礦43三下山南翼軌道巷中。該巷道沿煤層底板掘進，采用錨網支護。分析頂板地應力測試孔取出的巖芯，巷道頂部有4.10m厚的煤層，巖芯破碎；4.10～6.70m為泥巖，灰黑色，巖芯較破碎；6.70～9.70m為粉砂巖，灰白色，以石英為主，較完整；9.70～20.00m為中砂巖，呈灰黑色，致密，塊狀，巖芯較完整。

3 測試結果與分析

采用公式計算得到最大水平應力、最小水平應力和垂直應力，見表1。孔壁巖石的壓裂完成后，對孔壁壓裂部位進行了印模，以便取得水壓裂縫的走向。印模結果如圖1所示。

表1 地應力測試結果

第一測站側壓比（即最大水平主應力與垂直主應力的比值）為1.84，平均水平主應力為6.14 MPa，平均水平主應力與垂直主應力的比值為1.49，最大水平主應力方向為N55.0°W；第二測站側壓比為1.90，平均水平主應力為8.49MPa，平均水平主應力與垂直主應力的比值為1.63，最大水平主應力方向為N59.2°W；第三測站側壓比為1.78，平均水平主應力為7.77MPa，平均水平主應力與垂直主應力的比值為1.44，最大水平主應力方向為N42.0°W。

圖1 740水平地應力測試印模圖

4 結論

（1）王莊煤礦740水平測試地點平均埋深為202m，3個測站中最大水平主應力范圍為7.60～9.92MPa，最小水平主應力范圍為4.68～7.06 MPa，平均水平主應力范圍為6.14～8.49MPa，垂直應力范圍為4.13～5.39MPa。

（2）3個測站中的最大水平主應力＞最小水平應力＞垂直主應力，側壓比范圍為1.78～1.90，平均水平主應力與垂直主應力的比值范圍為1.44～1.63，地應力基本上是由自重應力和水平構造應力所構成，水平構造應力在地應力中所占比重要大于自重應力。

（3）最大主應力在近水平方向，最大水平主應力方向主要集中在N42.0°W～N59.2°W之間，最大水平主應力與巷道的夾角近似超過45°，這使得巷道側幫的水平應力較大，這在錨桿支護設計中應予以充分重視。

［1］ 馬念杰，劉少偉，李英明.基于地應力的煤巷錨桿支護設計與軟件研究［J］.中國煤炭，2004（2）

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［5］ 劉允芳，劉元坤.水壓致裂法三維地應力測量方法的研究［J］.地殼形變與地震，1999（3）

［6］ 陳治中，汪占領，王文新.棗泉煤礦地應力測試及其分布［J］.煤礦開采，2011（5）

Research on crustal stress measurement on 740 level of Wangzhuang Coal Mine

Hu Xuejun1，2
（1.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Haidian，Beijing 100083，China；2.Shanxi Lu＇an Yuanfeng Coal Mining Company Ltd.，Changzhi，Shanxi 046204，China）

Aimed at the geological structure of Wangzhuang Coal Mine，the crustal stress measurement was carried out with the help of the small borehole hydraulic fracturing test unit on 740level.The characteristics of crustal stress was analyzed according to the geological structure and the coal strata occurrence.The research showed that the crustal stress in this region involves gravity stress and horizontally structured stress，and the latter makes greater contribution than the former.The maximum main stress was in the nearly horizontal direction，while the maximum horizontal main stress mainly distributed in the range of N42.0°W－N59.2°W，and the angle between it and the roadway was approximately greater than 45°.

crustal stress measurement，hydraulic fracturing method，stress field，distribution characteristics

胡學軍（1961－），男，山西省朔州人，高級工程師，現任潞安元豐礦業有限公司總經理，中國礦業大學（北京）在讀博士研究生，主要從事采礦工程技術研究。

（責任編輯 張毅玲）