水壓致裂地應力測試法在煤礦底板突水預測中的應用

林旭東

(中煤科工集團西安研究院有限公司水文地質研究所，陜西省西安市，710054)

水壓致裂地應力測試方法隨著石油工業發展而產生，后來逐漸發展成為一種地應力測量方法。水壓致裂地應力測試方法是迄今為止進行深部地應力測量最有效的手段。經過30多年的發展，對于一些重大工程的建設，它已成為一個不可或缺的測試手段，因而引起了世界范圍內眾多研究人員和學者的高度重視，并被廣泛采用。

巖水應力關系理論，是突水預測的方法之一。該學說由原煤炭科學研究總院西安分院于20 世紀90 年代提出。該學說認為底板突水是巖(底板砂頁巖)、水(底板承壓水)、應力(采動應力和地應力)共同作用的結果。水壓致裂地應力測試法預測煤礦底板突水是利用巖水應力關系理論，在測試鉆孔中利用高壓水將鉆孔巖石壓裂，測試出地層巖石的破裂壓力，計算出地層最大最小主應力，從而對地層的阻水性能進行分析評價。水壓致裂地應力測試法對于煤礦突水預測有著重要作用，該方法相對實施簡單，預測準確度較高，應用范圍廣。

1 水壓致裂地應力測試法預測底板突水原理

在進行水壓致裂原位地應力測試之前，首先需要作如下一些假定：巖石是均勻脆性和各向同性的線彈性體；巖石為多孔介質時注入液體按達西定律在孔隙中流動；3個主應力方向之一與鉆孔軸平行。

地殼中某一點的地應力狀態，一般來說可用3個主應力分量SH、Sh和SV來表示，SH、Sh分別代表最大和最小水平主應力，SV代表垂直主應力。

水壓致裂沿最小主應力路徑發展，即在垂直于最小主應力方向的平面內發展，大量試驗結果表明，無論垂直主應力的大小如何，鉆孔壁上面完整巖石的初始水壓裂縫總是垂直的，而且垂直于最小水平主應力方向。通過測試數據計算地應力大小則有兩種可能。

(1)如果一個水平主應力是3個主應力中最小的一個(Sh=S3，SV=S1或SV=S2)，則起始為垂直裂縫，而延伸也是垂直向裂縫。關閉水泵后，維持裂縫張開的瞬間閉合壓力Ps就等于垂直破裂面方向的壓應力，即最小水平主應力：

Sh=Ps

(1)

式中：Ps——瞬間閉合壓力。

在此條件下，垂直主應力將根據上覆巖石的容重進行計算，即：

SV=ρH

(2)

式中：ρ——上覆巖層容重；

H——測試段深度。

(2)如果SV是最小主應力的話，那么在壓裂過程中初始裂縫是垂直的，這時可得到第一瞬時閉合壓力Ps1；當破裂面延伸并過渡到水平裂縫時，則會得到第二瞬時閉合壓力Ps2；顯然Ps1>Ps2，即：

在此條件下，最小水平主應力和垂直主應力都可以直接在壓力-時間記錄中確定下來。

最大水平主應力為：

(5)

式中：Pb——巖石破裂壓力；

Pr——重張壓力；

T——抗張強度。

根據巖水應力關系理論，采動礦壓使底板隔水層出現一定深度的導水裂隙, 降低了巖體強度, 削弱了隔水性能, 造成了底板滲流場重新分布, 當承壓水沿導水破裂進一步浸入時, 巖體則因受水軟化而導致裂縫繼續擴展, 直至兩者相互作用的結果增強到底板巖體的最小主應力小于承壓水水壓時, 便產生壓裂擴容, 發生突水。其表達式為：

(6)

式中：I——突水臨界指數；

Pw——底板隔水巖體承受的水壓；

z——底板巖體的最小主應力。

當I<1時不會發生突水, 反之則發生突水。該學說綜合考慮了巖石、水壓及地應力的影響, 揭示了突水發生的動態機理。

2 榆樹坡煤礦5#煤層帶壓開采條件

山西寧武榆樹坡煤業有限公司井田位于寧武縣城東北約2 km處，井田面積15.0247 km2，生產規模為120萬t/a，主采太原組2#、5#煤層。

榆樹坡煤礦位于寧武煤田的東北端，處于平朔朔南煤炭國家規劃礦區西南部，屬于典型的華北型煤田。華北型煤田下組煤開采面臨的最大挑戰是來自煤層底板奧灰含水層的突水威脅。榆樹坡煤礦區域水文地質單元所屬的神頭泉域礦井東部及西部均有大面積碳酸鹽巖出露區，接受大氣降水補給，礦井位置靠近神頭泉域南部邊界，處在泉域南部地下水補給區。井田內寒武奧陶系石灰巖巖溶發育，富水性強。

井田內，奧灰水位標高為+1063～+1070 m，5#煤層底板標高為+650～+1200 m，井田內5#煤層大部分區域屬于帶壓開采。煤層距奧灰含水層50 m左右，5#煤層距離奧陶系灰巖隔水層厚度較小，帶壓開采具有一定的危險性。

3 測試方法及測試數據

為探查5#煤層底板隔水層的隔水性能，在井下2#煤層井底車場及5#煤層中央水倉附近施工3個水文探查孔，總工程量為420 m。3個鉆孔終孔層位均為奧灰含水層，除了用于水壓致裂測試地應力之外，還能夠達到探查奧灰含水層富水性及分布規律的目的。測試鉆孔參數見表1。3個測試鉆孔結構如下。

表1 測試鉆孔參數表

(1)TS1孔：從2#煤層頂板開孔，開孔為?89 mm取芯鉆進至18 m；然后用?168 mm鉆頭擴孔，下入孔口管?146 mm，長18 m；繼續用?89 mm取芯鉆進直至134 m，做壓水試驗；再換?130 mm鉆頭擴孔，下?108 mm套管至134 m；最后用?89 mm的鉆頭繼續鉆進至184 m。

(2)TS2孔：從5#煤層開孔，開孔為?89 mm取芯鉆進至21 m；然后用?191 mm鉆頭擴孔，下入孔口管?168 mm，長21 m；繼續用?89 mm取芯鉆進直至53 m，做壓水試驗；再換?146 mm鉆頭擴孔，下?127 mm套管至52.5 m；然后用?89 mm的鉆頭繼續鉆進至130 m；最后用?110 mm鉆頭擴孔至130 m。

(3)TS3孔：從5#煤層開孔，開孔為?89 mm取芯鉆進至21 m；然后用?191 mm鉆頭擴孔，下入孔口管?168 mm，長21 m；繼續用?89 mm取芯鉆進直至56 m，做壓水試驗；再換?146 mm鉆頭擴孔，下?127 mm套管至56 m；然后用?89 mm的鉆頭繼續鉆進至106 m；最后用?110 mm鉆頭擴孔至106 m。

在水壓致裂應力測定之前，首先對巖芯進行觀察和分析，并選擇比較完整的巖石做為測試孔段。通過對3個測試孔所取出的巖芯完整性和巖性的判別，選取以下5個測試點：①1#測試點：測點中心距TS1號鉆孔孔口向下垂深121.5 m，該段巖性為中砂巖；②2#測試點：測點中心距TS1號鉆孔孔口向下垂深128.5 m，該段巖性為鋁土巖；③3#測試點：測點中心距TS2號鉆孔孔口向下垂深32 m，該段巖性為中砂巖；④4#測試點：測點中心距TS2號鉆孔孔口向下垂深41.5 m，該段巖性為砂質泥巖；⑤5#測試點：測點中心距TS3號鉆孔孔口向下垂深31 m，該段巖性為粗砂巖。

5個測試點的現場水壓致裂測試壓力-時間曲線如圖1所示。

4 測試結果分析

根據前文介紹，通過現場測試結果(壓力-時間曲線)可以直接讀出測試點數據，見表2。

圖1 各測試點壓力—時間曲線

測點編號巖性巖石破裂壓力Pb/MPa重張壓力Pr/MPa瞬時閉合壓力Ps/MPa1#中砂巖8.17.26.192#鋁土巖8.596.846.193#中砂巖9.265.054.244#砂質泥巖6.495.985.05#粗砂巖8.217.034.43

根據彈性力學原理可以計算得出測點地應力數據，見表3。

表3 地應力數據

注：計算垂向應力時巖石容重取2.62 g/cm3

根據巖水應力關系理論，計算各測試點的突水臨界指數，見表4。

表4 突水臨界指數計算表

通過計算可知，突水臨界指數I均小于1，平均為0.32，說明5#煤層底板隔水層具有較好的隔水能力。

通過本次測試鉆孔及以往探查孔資料分析： 5#煤層底板至奧灰頂面巖層主要包括太原組、本溪組，巖性主要由砂巖、砂質泥巖、泥巖、灰巖和鋁土泥巖及薄煤層組成。其中本溪組砂質泥巖隔水層具有良好的隔水性能，為煤層的主要隔水層。

5#煤層底板至奧灰含水層頂板隔水層巖性特征如下：泥巖類巖層平均占隔水層總厚度的36.4%、砂巖類巖層占54.2%、灰巖類巖層占5.6%、其他巖類占3.8%。砂巖等堅硬類巖層的隔水性能相對差，但是抗破壞性能強，主要起到抵抗礦壓、水壓、地應力綜合作用對隔水層的破壞，可起到底板關鍵層作用；泥巖等軟弱類巖層抗破壞能力相對差，但是阻隔水能力強，且受破壞后彌合速度快、彌合度高。

榆樹坡煤礦5#煤層底板隔水層屬于砂泥巖復合型，既有一定的抗水能力也有一定的隔水能力。通過測試及計算所得的突水臨界指數平均為0.32，遠小于1。總體評價榆樹坡煤礦5#煤層底板隔水層隔水性能較強，正常開采情況不會出現底板突水事故。

5 結論

(1)水壓致裂地應力測試法目前仍然是地應力測試中普遍應用的技術，其測試方法簡單，測試結果相對準確。

(2)煤礦底板突水是地應力、采動應力與煤層底板承受水壓共同作用的結果。由原煤炭科學研究總院西安分院提出的巖水應力關系理論正是利用煤礦底板突水的機理來預測煤礦底板突水。已經在多個煤礦底板突水預測中得以應用。

(3)榆樹坡煤礦5#煤層屬于帶壓開采，存在底板突水危險。為評價該煤層底板帶壓開采危險性，對榆樹坡煤礦5#煤層底板巖層進行水壓致裂地應力測試，通過巖水應力關系理論計算突水臨界指數。通過現場測試、結果計算及分析，榆樹坡煤礦5#煤層底板突水臨界指數均低于1，底板隔水層性能良好。