謝家河溝煤礦水壓致裂法地應力測試應用

＊瞿邦位 蔣樸林 史小強

（貴州久泰邦達能源開發有限公司 貴州 553599）

1.工程背景

位于礦區的煤炭地質構造主要由上二疊紀的龍潭組（P31）構成，其覆蓋范圍約有425m深，包含了大約30至54個煤層，這些煤層的總體積達到了29.56m，并且含有6.96%的碳含量。整個區域內的所有煤層都具有開采價值，可以被全部利用。根據深度不同，我們可以把這片區域分成兩個部分：上部是包括M1、M3、M6-1、M6-3、M10、M12、M15、M17、M18等十三個煤層組成的部分；而底部則是以M26、M27-2、M29-2、M32四個煤層為主體的部分。在這兩組中，各煤層之間的距離分別為5.92m至66.18m不等。屬近距離煤層群，煤層傾角14°～22°，平均17°，煤層為緩傾斜煤層。井田構造較復雜，巷道掘進困難，僅靠現場經驗和工程類比無法指導巷道支護設計，為此，有必要提供相關地應力參數指導巷道支護設計。

在現有的地質力學參數測試方法中，應力消除法和水壓裂痕法是井下實際應用的可行途徑。由于水壓致裂法無需測定巖體彈性模量，并且測量空間大、受影響程度小、測速快、成功率高，因此采用水壓致裂法對謝家河溝礦區地應力進行測試。

2.地應力測試位置

根據測試要求，在1345西翼底抽巷（鉆孔W1、W2、W3）采用水壓致裂方法進行地應力測量。通過地應力測量，確定了圍巖的應力狀態，即地應力的大小和方向。依據地應力的測量和全面分析，我們已經闡明了謝家河溝煤礦地應力的存在模式和主要特性，這也為煤礦開采過程中巷道設置、斷面選擇以及軸線位置的確定提供了重要的設計參考。

此次進行地應力測試的孔分別為：位于1345西翼底抽巷（鉆孔W1、W2、W3，相隔100～500m），具體測定位置如圖1。鉆孔深度及測點位置等信息如表1所示。

表1 地應力測試鉆孔及測點分布表

圖1 地應力測試鉆孔位置圖

3.地應力測試結果

在計算最大水平主應力時，我們必須知道巖石中的孔隙壓力（P0）。根據全球范圍內的實測數據及研究結果顯示，大部分情況下的孔隙壓力幾乎等同于靜態水位壓力。所以，在使用水壓導致破裂方法來檢測應力的過程中，一般會用到被測區域的水位靜態壓力替代巖石的孔隙壓力。然而，考慮到這個實驗井口并不長，無需去考慮靜態水位壓力。在這個試驗中，傳感器放置在了礦洞內部的測試地點上，因為是通過鉆桿傳遞壓力，相對于管道來說其尺寸更大并且更短，并沒有對管道產生的壓力損失做出計算。

由此，本研究在垂直鉆孔中測量地應力，最大、最小水平主應力分別為σH、σh及垂直應力可表示為：

最大水平主應力：σH=3Ps-Pr，其中Ps為關閉壓力（MPa）；Pr為裂隙重開壓力（MPa）。

最小水平主應力：σh=Ps；

垂直應力：σV=ρgd，基于上覆巖石的重量來計算，其中ρ為巖石密度，取均值2.5g/cm3；g為重力加速度，取值10m/s2；d為深度（m）。

（3）進一步明晰代數思維單元知識主題出現的邏輯順序．在參考模型中，知識主題出現的先后順序層次較為明晰，整個小學階段、初中階段貫穿“未知數、變量的運用”，將“算術”與“代數”進行有效銜接；小學結束之前設置“代數式運算”延續到整個初中、高中階段；初中階段設置“代數式概念”；高中階段根據實際需要設置“代數式證明”．

W1、W2、W3在1345西翼底抽巷，設計頂板鉆孔深度為20m。鉆孔完成后，經鉆孔窺視儀探測，最終選定距離巷道頂板分別17.8m、14.6m、13m進行測試，分別進行壓裂和印模。

參考典型壓力-時間曲線圖2，其中臨界壓力值Pb為巖石的破裂壓力；Pr為二次張裂壓力；Ps為閉合壓力。根據圖3、圖4、圖5中的壓力記錄軌跡看出，壓力曲線與典型壓力-時間曲線基本符合，在測試過程中，每段通常都要進行3～5個回次，以便取得合理的應力參量，以及準確判斷巖石的破裂和裂縫的延伸狀態。其破裂壓力的高點準確且顯著，各次循環下的壓裂行為有很強的規律性，這說明我們選擇的壓力區間是合適的，而且周圍巖石的特性優良，使得破裂面的分布均勻，每個循環下所獲得的壓裂數據都保持著良好的一致性，所以我們能夠自信地判斷出此處的應力水平和方向。

圖2 水壓致裂應力測量典型壓裂過程曲線

圖3 W1鉆孔壓力記錄曲線

圖4 W2鉆孔壓力記錄曲線

圖5 W3鉆孔壓力記錄曲線

根據監測數據計算和分析，確定了W1、W2、W3鉆孔測段初始破裂壓力Pb、二次張裂壓力Pr、閉合壓力Ps及巖體的抗拉強度T，根據相關公式，得到水平最大主應力sH、水平最小主應力sh、垂直應力sv，具體詳見表2。

表2 W1、W2、W3孔水力壓裂地應力測試結果

最大水平主應力與垂直應力比值sH/sv，反映兩者之間的應力差異，結果為1.16、1.27、1.31，表明該區域地應力以水平應力為主導。依據壓力致裂的應力測量基礎理論，由壓力致裂引發的斷面軌跡即是最大的橫向主要應力所在的位置。為了明確這個孔的主要應力方位，通過深入研究和評估壓裂試驗曲線后，選擇一個鉆探區域來制作模型并進行定位，最后推算出斷裂面的位置是N82.7°W至N85.3°E之間。

4.地應力測試結果分析

在該礦在1345西翼底抽巷（鉆孔W1、W2、W3），進行了水力壓裂地應力測試工作，鉆孔中巖石較為完整，但局部有些許破碎帶。經過仔細觀察鉆孔，盡可能避開破損區域，我們能夠較為準確地確定每個測點的應力狀況。

實驗成果揭示了，在W1、W2和W3孔探測區內，所有檢測點的數據均處于正常狀態，且壓力記錄圖形規范，明確反映出破裂壓力的高峰值，并且每個循環下的反復測量都呈現出強烈的規律性，同時，每次循環中獲得的壓裂參數也保持著高度的一致性。這主要是因為我們考察的地帶地質構造穩定，巖石無縫，沒有出現斷裂現象，所以這個位置的應力數值相對統一，與一般的地應力變換規則相吻合。因為此處巖石緊密、完好、堅固，導致壓力讀取值高，壓裂曲線的表現良好且典型，故而我們的測量結果是可信賴的。最大水平主應力范圍在10.4MPa至11.9MPa之間，平均值達到11.2MPa，最小水平主應力則是在7.1MPa到8.1MPa之間，總體平均值為7.6MPa。垂直地應力8.9～9.1MPa，平均9MPa。較為準確地代表了該范圍的真實的地應力狀態，且有sH＞sv＞sh，表明最大主應力為最大水平主應力，最小主應力為最小水平主應力。在孔內進行了印模定向，測得最大水平主應力方向為N82.7°W～N85.3°E，即近WE方向。

該礦的主應力大小分布規律為sH＞sv＞sh，最大水平主應力與垂直應力比值sH/sv結果介于1.16～1.31，表明該區域最大水平主應力與垂直應力差異不大。

5.結論

根據3個測點的地應力測量結果，結合相關地質勘探資料，掌握地應力場分布規律，相關結論如下：

（1）綜合以上3個測孔測試結果，該煤礦測試點區域的最大水平主應力值為10.4～11.9MPa，平均為11.2MPa，最小水平主應力為7.1～8.1MPa，平均7.6MPa。垂直地應力為8.9～9.1MPa，平均9MPa。實測各測點最大水平主應力方向（即破裂方位）有近似性。最大水平主應力方向為N82.7°W～N85.3°E，即近EW方向。

（2）實測該礦的主應力大小分布規律為sH＞sv＞sh，最大水平主應力與垂直應力比值sH/sv，結果介于1.16～1.31，表明該區域最大水平主應力與垂直應力差異不大。與整個六盤水礦區的構造應力場比較，謝家河溝煤礦的地應力大小屬于中等應力區。

（3）建議。①考慮到地應力因素，當最大水平主應力方向與采礦巷道軸線的夾角在0°～30°之間時，這對于保持巷道穩定是有益處的。因此建議，在新布置巷道或工作面時，根據該礦實測最大水平主應力方向進行合理布置與優化。②建議根據實測的地應力值，建立相關數值模擬模型，對原有巷道、工作面及新掘巷道及工作面進行穩定性分析，指導參數優化和工程實踐。③建議隨著工作面開采深度的增加或礦井延伸所造成的開采深度增大，補充相關區域地應力結果，及時掌握原巖應力變化。