小孔徑水壓致裂法在沙坪礦地應力測量中的應用

孫健

（山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036500）

準確的掌握井田范圍內地應力分布規律對于礦井巷道的布置及支護參數的設計有著重要的意義。為了進一步優化礦井巷道錨桿支護成套技術，沙坪煤礦采用小孔徑水壓致裂法對13號煤層已掘巷道進行了地應力測量。根據所測得的數據，對淺埋深特厚煤層的地應力分布規律進行分析，對礦井巷道支護設計具有重要意義。

1 礦井概況

沙坪煤礦位于山西省河曲縣城東南約32 km處之黃河東岸，郭家莊、官地梁村一帶，行政區劃隸（分跨）屬于河曲縣沙坪鄉巡鎮鎮管轄。井田內黃土、基巖梁、峁、臺地和沖溝縱橫交錯，地形比較復雜。可采煤層有8上、8、9、10、11、12、13號煤層。低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性，自燃等級為Ⅱ級。

13號煤層位于太原組二段中下部，煤層底板標高為+721—+843 m，煤層厚度10.32～26.87 m，平均16.84 m，頂板以泥巖為主，局部為砂質泥巖、粉砂巖、砂巖；底板以泥巖為主，局部為炭質泥巖、砂質泥巖。

2 測試原理及設備

2.1 測試原理

采用水壓致裂法測量平面應力的前提條件如下。

（1）巖石是均質的線彈性體。

（2）巖石裂隙發育小，成完整性。

（3）測試鉆孔的方向為某一水平主應力方向。

由以上假設可將力學分析簡化為平面模型來研究，即平面內有且僅有2個垂直主應力作用，如圖1所示。

圖1 水壓致裂應力原理Fig.1 Principle of hydraulic fracturing stress

圖1中A、B兩點應力計算可由彈性力學基本原理求得，見式（1）。

若水平主應力σ1大于水平主應力σ2，則相對應的A點的應力大于B點的應力，隨著鉆孔注水壓力的增大，當水壓大于等于A點或其對稱點A’的應力時，孔壁會在此處首先發生破裂，并沿圓孔壁破裂面發育，將此時的水壓Pb稱為臨界破裂壓力，臨界破裂壓力Pb除與2個應力相關，還與巖石抗拉強度T有關，見式（2）。

巖石在地質作用下其內部天然存在有孔隙，當考慮孔隙壓力P0時，應采用有效應力進行換算，見式（3）。

封隔器封閉的孔段中，孔壁破裂后，保持壓裂系統封閉，在無后續注液增壓時，裂隙不再延展，并且在地應力場的作用下對裂隙產生反作用，使得裂隙減小，甚至閉合，在裂隙未閉合時的平衡壓力稱為瞬時關閉壓力PS，與最小水平主應力關系見式（4）。

要使在地應力作用下已閉合的破裂面重新張開，需再次加壓，由于巖石已發生破壞，抗拉強度為零，此時水壓只需大于對應的水平主應力即可，則壓力Pr計算公式為：

地應力測量鉆孔現場布置如圖2所示。鉆孔打好后，對封閉鉆孔實施高壓注水，直至圍巖產生裂隙，裂隙延伸方向與最大應力方向相同。為探究裂隙發育特征，采用印模器注水加壓的方式，使印模膠筒外層半硫化橡膠膨脹，壓入裂隙中，最終卸壓后留在膠筒上的印痕，即為壓裂縫及原生裂縫，輔以電子羅盤，對裂隙進行定位。依據上述理論分析，產生裂隙方向即為最大主應力σH方向。

圖2 水壓致裂地應力測量示意Fig.2 Indication of hydrofracturing stress measurement

2.2 地應力測量指標確定

為方便井下測量工序，提高測量效率，摒棄傳統大孔徑、速度慢、笨重的設備，結合煤礦井下特點，使用小孔徑、高效率、輕便的新型設備進行測量，具體參數為孔徑582 mm，孔深≤30 m，水壓≤40 MPa，角度最大偏差3°，測點注壓時間≤2 h，滿足支護及其他技術要求。

3 現場測試

此次測試在沙坪煤礦研究區域已掘巷道中有選擇性的布置4組測點，已掘巷道的頂板和兩幫各布置2組測點，每個測點布置2個鉆孔，其中巷道頂板處測點孔深20 m、孔徑為58 mm，垂直頂板向上布置。為使鉆孔內部積水流出，巷道兩幫測點鉆孔水平仰角為3°～5°，為了減小測試誤差，4組測點鉆孔鉆鑿結束后都對鉆孔內部進行清理。

3.1 測點位置

此次測試測點共4個，測點位置如圖3～圖4所示。

圖3 第一、第二、第三測點位置示意Fig.3 Position indication of the first，second and third measuring points

圖4 第四測點位置示意Fig.4 Position indication of the fourth measuring point

第一、第二測站位于下水平回風大巷（沿13號煤頂板掘進），距巷口1 100 m、1 450 m處。巷道為矩形斷面，錨網索+鋼筋梯子梁聯合支護，巷道斷面寬6.0 m，測站鉆孔開孔處距離巷道底板高4.7 m，測站處埋深分別為193.4 m、163.3 m。

第三測站位于下水平輔運大巷（沿13號煤底板掘進），距正掘巷口50 m處。

第四測點位于1812回風順槽處主回撤通道中，巷道沿煤層8號底板布置，寬5.0 m，高3.7 m，矩形斷面，采用錨桿+錨索+鐵絲網聯合支護，測點處埋深125.5 m。

3.2 地應力測試

各個測點應力測試結果見表1。

表1 沙坪煤礦水壓致裂地應力測量結果Table 1 In-situ stress measurement results of hydraulic fracturing in Shaping Coal Mine

第一測點地應力測試結果（巷道高度4.7 m，距孔口14.0 m）如圖5～圖6所示。

圖5 第一測點水力壓裂曲線Fig.5 Hydraulic fracturing curve of the first measuring point

圖6 第一測點最大水平主應力定向結果（北偏西43.8°）Fig.6 Directional results of maximum horizontal principal stress at the first measuring point(43.8°north-west)

第一測點測的數據經處理計算可得，破裂壓力Pb、重張壓力Pr、瞬時關閉壓力Ps分別為4.04、3.57、3.16 MPa。

測點處底板埋深約193.4 m，巷道高4.7 m，測試段較孔口高14.0 m，可知測試段埋深約為147.7 m，依據公式（4）可得最小水平主應力σh、最大水平主應力σH、垂直主應力σv大小分別為2.97、5.54、4.37 MPa。

第二測點地應力測試結果（巷道高度4.7 m，距孔口15.0 m）如圖7～圖8所示。

圖7 第二測點水力壓裂曲線Fig.7 Hydraulic fracturing curve of the second measuring point

圖8 第二測點最大水平主應力定向結果（北偏西35.2°）Fig.8 Directional results of maximum horizontal principal stress at the second measuring point(35.2°north-west)

第二測點測的數據經處理計算可得，破裂壓力Pb、重張壓力Pr、瞬時關閉壓力Ps分別為13.27、4.57、3.65 MPa。

測點處底板埋深約163.3 m，巷道高4.7 m，測試段較孔口高15.0 m，可知測試段埋深約為143.6 m，依據公式（4）可得最小水平主應力σh、最大水平主應力σH、垂直主應力σv大小分別為3.45、5.99、3.59 MPa。

第三測點地應力測試結果（巷道高度4.7 m，距孔口19.0 m）如圖9～圖10所示。

圖1 0 第三測點最大水平主應力定向結果（北偏西1 1.9°）Fig.10 Directional results of maximum horizontal principal stress at the third measuring point(11.9°north-west)

圖9 第三測點水力壓裂曲線Fig.9 Hydraulic fracturing curve of the third measuring point

第三測點測的數據經處理計算可得，破裂壓力Pb、重張壓力Pr、瞬時關閉壓力Ps分別為6.64、5.81、5.32 MPa。

測點處底板埋深約198.0 m，巷道高4.7 m，測試段較孔口高19.0 m，可知測試段埋深約為174.3 m，依據公式（4）可得最小水平主應力σh、最大水平主應力σH、垂直主應力σv大小分別為5.08、9.68、4.36 MPa。

第四測點地應力測試結果（巷道高度3.7 m，距孔口14.0 m）如圖11～圖12所示。

圖1 2第四測點最大水平主應力定向結果（北偏西1 2.8°）Fig.12 Directional results of maximum horizontal principal stress at the fourth measuring point(12.8°north-west)

圖1 1 第四測點水力壓裂曲線Fig.11 Hydraulic fracturing curve of the fourth measuring point

第四測點測的數據經處理計算可得，破裂壓力Pb、重張壓力Pr、瞬時關閉壓力Ps分別為6.14、3.48、3.16 MPa。

測點處底板埋深約125.5 m，巷道高3.7 m，測試段較孔口高14.0 m，可知測試段埋深約為107.8 m，依據公式（4）可得最小水平主應力σh、最大水平主應力σH、垂直主應力σv大小分別為2.98、5.65、2.70 MPa。

4 結 論

（1）通過印模裝置得到巖石壓裂裂縫的印模，可真實反映裂隙發育狀態，壓裂曲線也反映出不同水壓對裂隙影響，數據真實可靠。

（2）依據對所測區域13號煤第一、第二、第三測點和8號煤第四測點最小水平主應力、最大水平主應力、垂直應力分析，參考相關評判標準可知，應力均小于10 MPa，測試區域應力場屬于低應力值區域。

（3）四組測點均以最大水平主應力為主，其中第一、第二測點最小水平主應力為最小主應力，所測區域應力場類型為型應力場；第三、第四測點垂直應力為最小主應力，所測區域應力場類型為型應力場。

（4）4組測點最大水平主應力方向分別為N43.8°W、N35.2°W、N11.9°W和N12.8°W，為NNW—NW方向，方向一致性較好。