淮南煤田潘集煤礦外圍勘查區水壓致裂地應力測量研究*

吳基文 張文永 彭 華 翟曉榮 沈書豪 孫 貴 畢堯山

(①安徽理工大學地球與環境學院， 淮南 232001， 中國) (②安徽省煤田地質局勘查研究院， 合肥 230088， 中國) (③中國地質科學院地質力學研究所， 北京 100080， 中國)

0 引 言

地應力是造成地下工程變形和破壞的根本作用力，是獲取工程巖體力學特性，實現地下工程開挖設計與管理的前提條件(蔡美峰， 2000)。地應力與深部井巷的維護、沖擊地壓、煤與瓦斯突出、礦井突水等礦井地質災害現象的關系十分密切。準確掌握工程區域的地應力特征，對合理確定礦井總體布置、進行巷道優化設計具有極其重要的意義，不僅可以改善巷道維護狀況，避免災害發生，提高生產效率，而且可以節約大量的巷道維護成本，大大提高煤礦的經濟效益(蔡美峰， 2001； 康紅普等， 2007； 張延新等， 2010)。

由于地應力的形成原因比較復雜，而現今地應力狀態也是十分復雜、多變的，迄今為止，還很難用數學方式來描述地應力場。要了解一個地區的地應力場特征，開展地應力測量是唯一的方法(蔡美峰， 2000)。

安徽淮南潘集煤礦外圍(深部)勘查區煤炭資源賦存狀況良好，淺部緊鄰潘謝礦區生產礦井，且勘查面積較大，走向延伸較長，下一步需進行礦區總體發展規劃和井田劃分。為此開展了普查、詳查工作。同時結合勘查工程，開展了深部煤炭勘查與開采地質條件的研究，其中地應力測量與評價是地質勘查的重要內容之一。

當前測量現今地應力主要有應力解除方法、水壓致裂方法、巖石聲波速度方法、巖石聲發射方法等。水壓致裂法是公認的測量地應力大小的最有效方法(陳家庚等， 1989)，是國際巖石力學學會推薦的地應力測量方法之一(Hudson et al.，2003)，被廣泛應用于涉及巖石工程的各個領域(劉允芳， 1991； Hayashi et al.，1997； 王章瓊等， 2016； 韓振華等， 2019)，在隧道工程(黃藝丹等， 2021； 徐正宣等， 2021； 張玉璽， 2021)、水利水電工程(趙國平等， 2013)、地殼穩定性評價(牛琳琳等， 2015； 陳群策等， 2019)、非常規油氣資源(頁巖氣、煤層氣)賦存與開發條件評價(李勇等， 2014； 張光晗， 2019)中開展了水壓致裂法地應力測量研究，為工程設計和評價提供了有效數據。由于水壓致裂法在煤礦地應力測量方面尤其是在礦井的前期勘探中具有最經濟實用的優點，因此在礦井的勘探階段得到了廣泛應用(Klee et al.，1999； 尤明慶， 2005； Bohloli et al.，2006； 蔡美峰等， 2006)。近年來，隨著煤礦進入深部開采，井巷圍巖變形破壞嚴重，地應力參數受到高度重視，眾多煤礦在深部采區或補勘區均開展了水壓致裂法地應力測量(張蕊等， 2010； 彭華等， 2011； 孫東生等， 2015； 藺亞兵等， 2020)，獲得了地應力場特征，為礦井巷道布置以及災害防治提供了可靠參數。為此，本次針對潘集煤礦外圍勘查區的地應力測量亦采用水壓致裂法進行。

1 水壓致裂法地應力測試原理與方法

1.1 測試原理與計算方法

水壓致裂法地應力測量，產生于20世紀70年代，是目前國內外直接進行深孔測量地殼應力可靠而有效的方法。該方法可直接獲得地應力場參量，不需要測試巖石的力學參數，同時具有操作方便、測試速度快、連續重復測量、測值穩定等特點(康紅普等， 2007； 楊紹喜， 2008； Chatterjee et al.，2010； 劉春香， 2011)，因此近年來發展迅速，并取得了許多成果，積累了豐富的地應力實測資料。

水壓致裂法測量地應力是以彈性力學為基礎，以3個假設，即： ①巖石是線性、均勻和各向同性的彈性體； ②巖石是完整的、非滲透的； ③巖層中有一個主應力分量的方向平行于鉆孔軸向為前提(劉允芳等， 2006； 唐書恒等， 2011； 袁文峰等， 2012)。

水壓致裂地應力測量系統是將鉆孔的某個測段封隔起來，并向該段鉆孔注入高壓水，致巖石破裂。

臨界破裂壓力為孔壁破裂處的集中應力加上巖石的抗拉強度Thf，即

Pb=3σ2-σ1+Thf

(1)

式中：Pb稱為臨界破裂壓力，一般將裂縫處于臨界閉合狀態時的平衡壓力稱為瞬時關閉壓力PS，它等于垂直裂縫面的最小水平主應力稱σh，即

PS=σh

(2)

若再次對封隔段增壓，使裂縫重新張開，便可獲得裂縫重新張開的壓力Pr。

最大水平主應力σH的計算公式

σH=3PS-Pr-P0

(3)

式中：P0為巖層的孔隙水壓力。

垂直應力是根據上覆巖石的重量計算而得，即

σv=ρgd

(4)

式(4)中：ρ為巖石密度(kg·m-3)；g為重力加速度(m·s-2)，d為深度(m)。

1.2 現場測試方法與程序

1.2.1 測試系統

本次研究采用的是中國地質科學院地質力學研究所研制的SY-2010型單回路地應力測量系統完成研究區的地應力測量工作(馬秀敏， 2006； 彭華等， 2007， 2011)，整個裝置包括井上和井下兩部分，具體組成部分如圖 1所示。

圖 1 SY-2010型單回路水壓致裂地應力測量系統Fig. 1 Single-loop hydraulic fracturing in-situ stress measurement system SY-2010

圖 2 研究區測量鉆孔分布位置Fig. 2 Location of measuring drillings of the study area

為適應千米深孔地應力測量，對傳統水壓致裂裝置進行了改進。SY-2010型為單回路系統，采用特殊密封鉆桿作為壓力管道，地面注壓站通過高壓管道向井下施加壓力，確保測量系統具有一定的剛度，能夠通過上覆松軟土層； 井下系統通過推拉開關轉換，可完成封隔器封隔和井段壓裂試驗任務。采用特殊結構的新型封隔器，耐壓提高至70MPa； 采用新型井下高強度推拉開關，在回路中增設了防堵塞裝置； 采用串列安裝的印模器和定向器，一次下井即可進行多段印模。試驗過程中的數據采集和記錄，采用井上和井下兩套記錄裝置同時進行。采用程序自動控制測量過程中的加載和卸載，消除了人為因素的影響，使得測試結果更加可靠。

1.2.2 封隔段壓裂測量

水壓致裂法現場測試步驟為(馬秀敏， 2006)：

(1)選擇試驗段； (2)檢驗測量系統； (3)安裝井下測量設備； (4)座封； (5)壓裂； (6)關泵； (7)卸壓。

測量過程中，每個測段一般進行4～6個回次，以獲得合理的應力參數及準確判斷巖石的破裂與裂縫的延展狀況。

1.2.3 印模定向測量

地應力方向的確定采用定向印模法(馬秀敏， 2006)，測量步驟為： (1)安裝測試儀器； (2)增壓膨脹； (3)卸壓提鉆； (4)確定基線方位； (5)繪制裂縫印痕； (6)計算破裂面走向(即是最大水平主應力的方向)。

2 水壓致裂法地應力現場測試工程與測試結果

2.1 工程地質概況

淮南煤田潘集煤礦外圍煤炭勘查區位于淮南市潘集區和鳳臺縣境內，其中心東南距淮南市約14km。勘查區位于淮北平原南端，地面標高為20.136～23.795m，地勢平坦，僅北部有明龍山低矮山丘。勘查區處于淮南復式向斜東段和陳橋-潘集背斜轉折端的深部，北部起于明龍山斷層，南部連于謝橋-古溝向斜。陳橋-潘集背斜軸部位于10勘查線附近，軸向為NWW向，背斜兩翼的地層傾角較小且變化不大。但兩翼的地層走向不同，南翼地層走向近EW～NWW向，北翼地層可能受構造影響走向呈近SN。研究區內構造以斷裂為主，次級褶皺不發育。斷層走向主要呈NW、近EW向，其次為NE、NWW向，且以正斷層為主(圖 2)(吳桁， 2017)。本區地層自上而下依次為：第四系、新近系、古近系、三疊系、二疊系孫家溝組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、石炭系太原組、奧陶系、寒武系。地層巖性主要為各類砂巖、泥巖、煤和石灰巖以及沖積層砂土、黏土等。地應力測量鉆孔揭露煤層埋深為1500m左右，測試深度之大在國內煤礦區尚屬少見。

2.2 測點布置

結合研究區詳查工程進度，選擇14-2孔、6-2孔、24-5孔作為水壓致裂測試孔(圖 2)， 3個鉆孔的基本情況見表 1。每個鉆孔布置 9～10 個測段，共28個測段，所有測段均布置在煤系巖層中。其中1個鉆孔深度超過1400m， 2個鉆孔深度超過1500m，最大測點深度為1460m。各鉆孔測段分布見表 2和圖 3。

表 1 地應力測試鉆孔基本情況表Table 1 Basic information of boreholes for in-situ stress test

表 2 地應力測試鉆孔測段分布Table 2 Distribution of measuring sections of drillings for in-situ stress test

2.3 測量結果

由于受到風化作用影響，勘探孔上部巖體破碎較嚴重，不適合進行地應力測量，選擇在鉆孔的中下段進行，均位于二疊系上。本次測量共獲得了3個孔28個測段的有效測量數據，各鉆孔各測段壓裂曲線和印模圖見圖 4、圖 5。通過各孔的應力測試和巖芯情況分析，各地應力測試段巖石裂隙不發育，結構較完整。

圖 3 各測量鉆孔測段分布圖Fig. 3 Distribution of measuring sections of measuring drillings a. 14-2孔； b. 6-2孔； c. 24-5孔

圖 4 測量鉆孔各測段壓裂試驗記錄曲線Fig. 4 Fracturing test record curves of each section of measuring drillings a. 14-2孔； b. 6-2孔； c. 24-5孔

從測試數據來看，各個測段的數據都比較理想，均獲得了標準的壓力記錄曲線和明確的破裂壓力峰值，各個循環重復測量的規律性明顯，測得的壓裂參數也表現出良好的一致性。因此，測量結果較為可信。

通過對測試數據的系統整理和計算分析，得到了各個測段的Pb、Pr、Ps、P0、Thf等水壓致裂參數。根據測得的壓力參數及相關公式，得到最大、最小水平主應力值(σH、σh)及垂直主應力值(σv)，詳見表 3。其中，σv值是根據上覆巖層的厚度計算得到的，計算中土層和巖層的容重分別取20kN·m-3和27kN·m-3。

3個鉆孔(14-2、6-2、24-5)、28個測段的地應力測量結果如表 3所示。

3 地應力測量結果分析

3.1 潘集煤礦外圍勘查區地應力量級和方向

由表 3所示的測試數據可以看出，潘集煤礦外圍勘查區地應力有如下特征：

3.1.1 地應力量級

測段深度在466～1460m范圍，地應力測值：最大水平主應力為13.62～54.58MPa，最小水平主應力為11.79～37.93MPa，依據地應力水平評價標準(中華人民共和國行業標準編寫組， 2015)，結合巖石抗壓強度測試結果(沈書豪等， 2017； 靳拓， 2018)，估算研究區巖石強度應力比均小于4，屬于極高應力水平。鉆孔所取巖芯呈餅狀現象(圖 6)，表明該區地應力較高。

3.1.2 地應力方向

在14-2孔、6-2孔、24-5孔共計28個測段中，采用印模器對其中的11個測段測定了最大水平主應力的方向。不同鉆孔和不同測段的最大水平主應力方向存在一定差異，但11個測點均位于 NE～SW向，平均走向為NE64.22°，表明勘查區最大水平主應力方向為NEE向。這一結果與現代震源機制以及新構造活動所反映的區域構造應力場方向一致(劉東旺等， 2004； 倪紅玉等， 2013； 薛涼等， 2018)。

表 3 淮南潘集煤礦外圍水壓致裂地應力測量結果Table 3 Results of in-situ stress measurement using hydraulic fracturing technique in Panji coal mine

表 4 地應力比值計算結果Table 4 Calculation results of in-situ stress ratio

3.1.3 勘查區構造應力分析

勘查區實際水平地應力值與靜巖派生地應力的比值(σH/σ0)在2.96～4.06之間，構造地應力σg(σg=σH-σ0)在9.43～41.44MPa之間，勘查區原巖應力狀態以水平應力為主導。

3.2 地應力隨埋深的變化規律

將所測的3個鉆孔按深度進行組合，得到潘集煤礦外圍勘查區地應力隨埋深變化曲線(圖 7)。對最大水平主應力和最小水平主應力進行了回歸分析，得到

圖 5 測量鉆孔各測段印模圖 a. 14-2孔； b. 6-2孔； c. 24-5孔Fig. 5 Impression results of each measuring section of the measuring drillings for in-situ stress test

圖 6 14-2孔1468～1472m深度餅狀巖芯Fig. 6 Discal core with depth of 1468～1472m in No. 14-2 hole

圖 7 潘集外圍勘查區地應力隨埋深變化Fig. 7 Variation of in-situ stress with burial depth in the exploration area surrounding Panji coal mine

σH=0.0361D-2.9948(R2：0.9369)，

σh=0.0293D-2.4481(R2：0.9313)

(D為埋深，單位為m)

由圖 7可以看出，實測地應力值隨著深度的增加而增大， 3個鉆孔的σH、σh均隨深度變化成近似線性增長的關系。

3.3 潘集煤礦外圍勘查區地應力場類型

如圖 7所示，在埋深450m以深，垂直應力小于最大水平主應力，但大于最小水平主應力，地應力狀態表現為σH>σv>σh； 在埋深1000m以深，垂直應力小于水平主應力，地應力狀態表現為σH>σh>σv，由此表明450m以深表現為構造應力場型，且隨深度增加，構造應力顯現也增大，這是導致深部井巷圍巖擠壓變形破壞嚴重現象的主要原因(袁亮， 2006； 劉泉聲等， 2010； 田梅青等， 2012)。

3.4 水平應力與垂直應力比值的分布特征

地應力的側壓系數反映了水平地應力的相對大小和構造應力的水平，是地下工程設計和圍巖穩定性分析的基本參數之一。從表 4的計算結果可知：

(1)勘查區最大水平主應力σH與垂直應力σv的比值(K1)分布范圍為1.03～1.44，平均比值為1.28，表明研究區地應力狀態以水平應力為主導。

(2)最小水平主應力σh與垂直應力σv的比值(K2)范圍為0.87～1.16，平均為1.04，兩者比較接近。測試范圍內無明顯分布規律。

(3)最大水平主應力σH與最小水平主應力σh的比值(K3)在整個勘查區基本穩定，為1.12～1.53，平均為1.24。

4 結 論

(1)采用水壓致裂法對淮南煤田潘集煤礦外圍(深部)勘查區完成了3個鉆孔、共計28個測段的地應力現場實測， 3個鉆孔深度均超過 1400m，最大測點深度為1460m，這種地應力測試深度在煤礦系統尚不多見。

(2)獲得了勘查區地應力狀態及其分布規律。主要表現在： ①地應力量級： 466～1460m深度范圍σH值為13.62～54.58MPa，σh值為11.79～37.93MPa； ②最大水平主應力方向為NEE向； ③實測地應力值表現出隨著深度增加成近似線性增長的關系； ④σH與σv的比值為1.03～1.44，平均比值為1.28，表明勘查區地應力狀態以水平應力為主導。

(3)在埋深450m以深地應力場類型表現為構造應力場型，且隨深度增加，構造應力顯現也增大。這是導致深部井巷圍巖變形破壞嚴重的主要原因。