小孔徑水壓致裂法在沙坪礦地應(yīng)力測量中的應(yīng)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(nèi)地應(yīng)力分布規(guī)律對于礦井巷道的布置及支護參數(shù)的設(shè)計有著重要的意義。為了進一步優(yōu)化礦井巷道錨桿支護成套技術(shù)，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(yīng)力測量。根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)，對淺埋深特厚煤層的地應(yīng)力分布規(guī)律進行分析，對礦井巷道支護設(shè)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(qū)劃隸（分跨）屬于河曲縣沙坪鄉(xiāng)巡鎮(zhèn)鎮(zhèn)管轄。井田內(nèi)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(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖；底板以泥巖為主，局部為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖。

2 測試原理及設(shè)備

2.1 測試原理

采用水壓致裂法測量平面應(yīng)力的前提條件如下。

（1）巖石是均質(zhì)的線彈性體。

（2）巖石裂隙發(fā)育小，成完整性。

（3）測試鉆孔的方向為某一水平主應(yīng)力方向。

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

圖1 水壓致裂應(yīng)力原理Fig.1 Principle of hydraulic fracturing stress

圖1中A、B兩點應(yīng)力計算可由彈性力學基本原理求得，見式（1）。

若水平主應(yīng)力σ1大于水平主應(yīng)力σ2，則相對應(yīng)的A點的應(yīng)力大于B點的應(yīng)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(yīng)力時，孔壁會在此處首先發(fā)生破裂，并沿圓孔壁破裂面發(fā)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(yīng)力相關(guān)，還與巖石抗拉強度T有關(guān)，見式（2）。……