沁水盆地南部地區的地應力分布規律研究

陳　晨，朱希安，王占剛

(北京信息科技大學 信息與通信工程學院，北京　100101)

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·試驗研究·

沁水盆地南部地區的地應力分布規律研究

陳晨，朱希安，王占剛

(北京信息科技大學 信息與通信工程學院，北京100101)

為了研究礦區地應力分布規律，在沁水盆地南部柿莊北地區的16個煤礦采用水壓致裂法完成了22個測點的地應力測量工作。在實測數據的基礎上，分析了地應力隨埋深變化的分布規律、最大水平主應力與垂向主應力的比值隨深度變化的關系。研究表明，該礦區總體上屬于構造應力場，并且應力值屬于高等應力值。地應力應用于煤礦的測量為煤和瓦斯突出的研究以及油氣田穩定性提供理論基礎。

水壓致裂法；地應力測量；分布規律；埋深

初始地應力場是地質工程穩定性評價的重要基礎資料，它不僅決定油田油井的穩定性，而且會對礦山設計和施工造成直接的影響。隨著煤礦地下工程規模的不斷擴大，埋藏深度不斷增加，地應力的作用越來越關鍵，工程區的地應力場分布特征一直是煤礦開采的重要研究課題[1].因此，地應力在煤礦井下的測量與分析對石油的勘探和礦山設計具有非常重要的作用。

地應力場主要以自重應力場和構造應力場為主。自重應力場由巖體重力引起，計算比較簡單，可用上覆巖層的密度與埋深估算。導致構造運動的地應力場稱為構造應力場，構造應力場的影響因素眾多，包括巖性、地形、板塊邊界受壓、地幔熱對流、巖漿侵入、溫度分布不均、地表剝蝕作用等,而且構造應力場屬于隨空間和時間變化的非穩定的應力場,只能判斷、測試，不能計算得出，至今還很難用比較確切的表達式描述構造應力場的分布與變化規律。最可靠的方法是在現場進行地應力測量，然后對實測結果進行統計分析，研究地應力分布規律，用來指導實踐[2].

1　測量方法

1.1測試方法選擇

目前，比較典型的地應力測量方法有：應力解除法、應力恢復法、聲發射法和水壓致裂法。其中，水壓致裂法和應力解除法在工程應用中使用最為廣泛。應力解除法在煤礦井下的使用局限大且需要復雜的套孔工序，因而測量的精度很難得到保障。而水壓致裂法的要求簡單寬松，可以在未知巖石的力學參數情況下就能獲得地應力的多種參量，具有易操作、可在任意深度連續測試、量速快、測值準確、花費少等優點，近年來倍受關注[3].因此，采用水壓致裂法對沁水盆地南部柿莊北地區測量地應力符合現場實際情況。

1.2測量原理

水壓致裂法[4]測量地應力的基本過程：首先在鉆孔內封隔出一段作為測試段，再將高壓液體泵入測試段加壓，使周圍巖土遭到破壞產生誘發裂縫并擴展，同時記錄壓力隨時間的變化曲線；然后讀取分析變化曲線，得到3個壓裂特征參數(破裂壓力Pb、裂縫重張壓力Pr、閉合壓力Ps)，再根據理論公式計算得到測試段的主應力值。

(1)

(2)

(3)

式中：

σh,σH,σV—分別為最小水平主應力、最大水平主應力、垂直主應力，MPa；

Ps—裂縫閉合壓力，MPa；

Pr—裂縫重張壓力，MPa；

P0—地層壓力，MPa；

γ—上覆巖層的體積密度，g/cm3；

H—上覆巖層的深度，m.

準確讀取3個壓裂特征參數值能夠提高地應力的測量精度以及地應力測值結果的可靠性[5].在壓裂曲線的3個參數中，讀取Ps的值最重要，因為最小水平主應力等于閉合壓力，Ps造成的誤差等于最小水平主應力的誤差，同時使最大水平主應力的誤差增大3倍，一般采用拐點法判讀閉合壓力能夠提高水壓致裂測量地應力的精度。根據上述原理就可以測量和計算得到最小水平主應力和最大水平主應力。

1.3地應力測試結果

柿莊北地區二疊系山西組的3號煤層，分布廣泛，資源豐富，厚度穩定，是深部煤層氣勘探的主要目的層，本文主要根據3號煤層進行研究。根據測井、錄井資料，研究區3號煤層平均厚度為6.10 m，煤層直接頂、底板均為泥巖，平均厚度分別為1.05 m、1.00 m.通過取芯觀察，煤層及其直接頂、底板垂直裂縫發育。

為了深入準確地反映柿莊北礦區地應力場的特征，需要更多測點的測量結果結合礦區地質構造綜合分析，因此，在柿莊北地區布置了22個測量點對3號煤層進行地應力測量，研究礦區地應力場分布規律。

2　礦區地應力分布規律

對由水壓致裂法獲得的22個礦區測試點數據進行分析，數據分析結果表明，地應力在礦區的測試結果呈現一定的規律性。

2.1整體主應力隨深度變化的分布規律

從測量結果來看，測點埋深集中在700～1 400 m，地應力隨深度變化的曲線見圖1.從圖1可知，除個別點外，垂向主應力幾乎隨深度呈線性增加，最大、最小水平主應力整體上均隨深度增加而增大，但由于受到構造運動的作用，導致最大和最小水平主應力的量值出現離散性，分布規律不是很明顯，很難用確切的函數表達式描述分布特征，這正是地質構造復雜、影響因素眾多的柿莊北礦區地應力的分布特征。

圖1　地應力與深度的關系曲線圖

在礦區所有測點中，埋深最淺的為738 m，最深的為1 348 m.埋深在700～1 000 m的測點有16個，其中僅有4個測點的最大水平主應力小于垂直主應力，其余測點均大于垂直主應力，占75%；埋深在1 000～1 400 m的測量點有6個，其中最大水平主應力小于垂直主應力的測點有2個，而大于垂直主應力的測點有4個，占67%.

在16個700～1 000 m測點中只有2個測點的最小水平主應力大于垂直主應力，其余均小于垂向主應力，占87.5%；而在6個1 000～1 400 m的測點中，全部測點的最小水平主應力均小于垂直主應力。

綜上可知，埋深在700～1 000 m時，最大、最小水平主應力隨深度增加而增大的速度較快，而埋深在1 000～1 400 m時，最大、最小水平主應力隨深度增加而增大的速度有減緩的趨勢。在較淺的煤礦中，垂向主應力增加速度要小于最大水平應力的增加速度；在相對較深的煤礦中，最大水平應力的增加速度小于垂向主應力的，埋深達到一定值時，最大水平主應力的值逐漸接近于垂直主應力。

2.2應力值隨深度變化規律

分析22個測試點的應力值表明，礦區最大、最小水平主應力以及垂向主應力均與深度呈正相關關系，因此，可以用最小二乘法線性擬合進行回歸分析[6].地應力的值與深度的線性關系式為：

σH=0.027 9H+1.865 3,MPa(R2=0.633 5)

σh=0.019 8H+0.563 8,MPa(R2=0.688 9)

σV=0.025 4H+0.506 0,MPa(R2=0.999 7)

式中：

H—深度，m.

由圖1可以看出，礦區的垂向應力與埋深呈線性關系，而回歸式中存在量值較小的常數項，可能是受到地形和局部斷層影響造成的。最大、最小水平主應力值基本上隨著埋深增加而增大，由于受構造運動的影響，水平應力值離散性很大，規律性不夠明顯；σH及σh的回歸式中均出現一定量值的常數項，可能是地形和水平地質構造應力共同影響的結果。

2.3最大水平與垂直主應力比值隨深度變化規律

用最大水平主應力與垂向主應力的比值作為衡量地應力的變化趨勢的指標更具有客觀性，這個指標就是側壓比k，即k=σH/σV.參照布朗-霍克世界范圍內地應力分布規律的研究成果，并且回歸分析柿莊北礦區的側壓比隨深度的變化規律，結果見圖2.

圖2　地應力側壓比與埋深的關系示意圖

由圖2可知，埋深在700～1 000 m時，16個測點中有12個測點側壓比大于1，其余4個測點的側壓比小于1；埋深在1 000～1 400 m時，6個測點中有4個測點側壓比大于1，剩余2個測點的側壓比小于1.側壓比總體上隨深度增加而減小，但當達到某個深度時，側壓比逐漸趨于一個定值，這符合一般地應力場規律。通過研究側壓系數隨深度的變化關系，可以更好地估測礦區臨界深度的大概范圍，對于礦井向更深部的開采延伸具有重要意義[7].

2.4最大水平與最小水平主應力比值分布規律

在柿莊北礦區的22個測點中，最大與最小水平主應力比值即σH/σh最大為1.83，最小為1.01，平均值為1.43，最小水平主應力和最大水平主應力之間的差值比較大，造成這種現象的原因可能是受地形、巖石特性等因素的影響。

2.5礦區應力量級的判斷

根據知名教授于學馥提出來的判斷標準：18～30 MPa認為是高應力區，低于10 MPa認為是低應力區，介于兩者之間的為中等應力區，超過30 MPa屬于超高應力區[8].柿莊北礦區22個測點中，最大水平主應力全部超過10 MPa，1個介于10～18 MPa，12個介于18～30 MPa，9個超過30 MPa.因此，可以判斷柿莊北地區整體上屬于高應力礦區，局部地區屬于超高應力區。

2.6礦區應力場類別的判斷

在柿莊北地區22個地應力測點的測量結果表明，柿莊北礦區地應力場有2種:σHV型和σVH型。在22個測點中，其中有16個測點σH/σV>1，占72.7%，6個測點σH/σV<1，占27.3%.由此可見，柿莊北礦區總體上屬于σHV型應力場，水平應力占有絕對優勢，說明柿莊北礦區以構造應力為主，屬于構造應力場。

3　結　論

通過水壓致裂法對柿莊北礦區的地應力進行測量并分析比較，該礦區的地應力場具有如下規律：

1) 柿莊北礦區的地應力總體上隨埋深增大而增大，垂直主應力與埋深線性關系良好，最小和最大水平主應力整體上隨深度增大而增大，但由于受到構造運動的作用，導致最大和最小水平主應力的量值出現離散性。

2) 在相對較淺的煤礦礦井中，水平應力的增加速度大于垂向主應力增加速度；在深度相對較大的煤礦礦井中，垂向主應力的增加速度要大于水平應力的增加速度，且隨著埋深的增加，最大水平主應力逐漸趨于接近垂直主應力。

3) 柿莊北礦區整體上屬于高應力區，局部地區屬于超高應力區，而且由于受到地形、地質構造的影響，導致最大與最小水平主應力之間的差值比較大。

4) 柿莊北礦區地應力場基本上屬于σHV型應力場，水平應力占有絕對優勢，以構造應力為主，屬于構造應力場。

[1]李建博,楊保全,王殿春.基于神經網絡與有限元法相結合的初始地應力場反演分析[J].北華大學學報(自然科學版),2012(3):369-372.

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Study of In-situ Stress Distribution Law in Southern Qinshui Basin

CHEN Chen, ZHU Xi'an, WANG Zhan'gang

In order to research distribution law of in-situ stress in mining area, the hydraulic fracturing method are adopted in sixteen coal mines of the southern Qinshui basin Shizhuang north area to complete the in-situ stress measurements of twenty-two points. Analyzes the distribution rule of in-situ stress changing with depth, the relationship of maximum horizontal principal stress to vertical principal stress ratio with depth changing on the basis of measured data. The results show that the mining area is a part of the tectonic stress field and the stress value belongs to the higher stress value. In-situ stress is applied to the measurement of coal mine which provides theoretical foundation for the research of coal and gas outburst and stability of oil and gas field.

Hydraulic fracturing method；In-situ stress measurement; Distribution law; Burial depth

國家“十二五”重大專項(2011ZX05042-003-002)：CO2注入后的運移監測和安全技術研究；人才培養項目-引領學科(5111524100)

2015-12-19

陳晨(1990—)，女，安徽宿州人，2016年畢業于北京信息科技大學，碩士研究生，主要從事地應力方面的研究(E-mail)526196597@qq.com

TD311

A

1672-0652(2016)03-0043-04