小孔徑水壓致裂地應力測量技術的研究應用

朱云山

（山西寧武大運華盛莊旺煤業有限公司，山西 寧武 036700）

地應力也被稱為是原巖應力，在礦井采掘活動的影響下會產生采動應力場，從而引起礦井下巷道的破壞及變形[1]。因此制定合理地應力測量的技術方案，是獲得工程巖體力學性質、進行巷道圍巖穩定與控制的重要先決技術條件[2]。煤巖體地質力學測試的一件十分繁瑣的測試工作，傳統的地測法常常會因為缺乏相配套的儀器工具，在實踐中需要耗費大量人力和物力去彌補，對礦井的正常銜接生產有一定影響。鑒于此，我國很多礦區普遍沒有對煤巖體地質力學進行過全面系統的測試工作，而因基礎參數獲取不足，導致難以對圍巖支護設計形成助力，煤礦頂底板事故時有發生。

1 小孔徑水力壓力地測法

1.1 小孔徑水力壓力地測法原理

小孔徑水壓致裂地應力測量技術，依靠開發研制出小孔徑水壓致裂地應力測量儀、井下煤巖體強度測定裝置，以及礦用電子鉆孔窺視儀，形成了一套煤巖體地質力學快速測試系統。首先確定測量深度，使用橡膠封隔器封隔一段裸露的巖孔，然后進行鉆孔增壓，對鉆孔圍巖造成變形并且不可逆。在此過程中對壓力和流量，時間進度進行記錄，并由設備進行主應力的計算。如圖1 所示，兩個相互垂直的水平應力和σ1和σ2，在實驗水壓致裂的每個橫截面中，水平應力施加在一個帶圓孔的無限大的平面中，A、B 兩點的應力計算表達式如下：σA=3σ2-σ1；σB=3σ1-σ2。

圖1 水壓致裂應力原理圖

1.2 小孔徑水力壓力地測法優點

在實際使用過程中發現，小孔徑水壓致裂法有以下優點[4]：

1）不需要套芯等精密復雜的井下儀器，省時、操作簡潔容易上手、實驗完成率高；

2）巖石的彈性模量可以忽略，在測試中不屬于主要參數；

3）適用于采深較大、范圍較廣的空間，抗局部干擾能力強。因此水壓致裂法可以看做是一種很有發展前途的地應力測試方法，有著良好的應用前景。

2 現場測試

2.1 莊旺煤礦地質條件概況

山西寧武大運華盛莊旺煤業有限公司（全文簡稱莊旺煤業）坐落于山西寧武，在歷經了自然界多次地質構造改變后，現場發現井下可采掘揭露斷層31 條。在對莊旺煤礦地應力的測量中，規定鉆孔觸探法進行頂板以上10 m 范圍內和對應的煤幫10 m 范圍內的進行煤巖體強度測試。

2.2 測點布置

為了保證測試的準確和有代表性，測點布置的選擇需要避開大的構造帶和巷道群（只有特殊情況下才將測點布置在構造帶附近用來解構造帶附近的地質力學狀況）。

本礦區設置2 個檢測點，如下頁圖2 所示。每個檢測點設置2 個鉆孔，2 個檢測點共計4 個測孔，鉆孔直徑均為58 mm。頂孔距離地表20 m 左右，鉛垂布置；煤幫孔深度10 m 左右，因為需要保證水順利下流，測孔設置與水平方向有3°～5°仰角，避免水影響測孔處的煤體強度，同時及時清理測孔內的殘留巖屑。

圖2 測點布置示意圖

1）測點1。位于201 軌道上山400.0 m處，該巷道位于井田中部，西鄰2 號煤層軌道下山，東鄰2 號煤層回風及運輸大巷，沿煤層底板掘進，設計長度：930.0 m，采用錨噴支護，巷道高度為3.8 m，寬度為4.3 m。

2）測點2。位于20106 回風順槽40.0 m 處，該巷道位于井田中部，沿煤層底板掘進，設計長度694.0 m，采用錨網支護，巷道高度為3.4 m，寬度為4.1 m。

2.3 地應力測試

通過對每個測孔測量段進行加注，并使用地應力測量儀采集壓裂過程中相關數據，繪制水力壓裂曲線；然后使用軟件分析得到主應力計算的相關參數，如破裂壓力、重張壓力和瞬時關閉壓力。

壓裂完成后，水壓裂縫的方向通過壓裂部位的印模和定向得出，水壓致裂地應力測量結果匯總見表1。

表1 莊旺煤礦水壓致裂地應力測量結果

第一測點與第二測點的地應力測試結果如圖3，根據埋深，采用公式（1）分別可以計算出主應力各值：

式中：pr為重張壓力、ps為封閉壓力、pb為破裂壓力，MPa；σmax為最大水平主應力、σmin為最小水平主應力、σc為垂直主應力，MPa；γw為水的容重，9.8 kN/m3；h 為測點到讀數儀的垂直距離，測點1、2 均為16.1 m；γ為上覆巖層容重巖石，25 kN/m3；H 為埋深，測點1 取156.28 m，測點2 取211.37 m。

如圖3-1 測點1：破裂壓力pb=10.49 MPa；重張壓力pr=7.24 MPa；瞬時關閉壓力ps=5.50 MPa。測試段埋深約為156.28 m。根據公式（1）計算得最大水平主應力σmax=8.99 MPa；最小水平主應力σmin=5.34 MPa；垂直主應力σc=3.91 MPa，基線方向北偏東10.2°破裂方向北偏西52.3。

圖3 測點水力壓裂曲線圖

如圖3-2 測點2：破裂壓力pb=15.36 MPa；重張壓力pr=7.13 MPa；瞬時關閉壓力ps=5.73 MPa。測試段埋深約為211.37 m。根據公式（1）分別可以計算出最大水平主應力σmax=9.67MPa；最小水平主應力σmin=5.54MPa；垂直主應力σc=5.28 MPa，基線方向北偏東37.4°破裂方向北偏西49.6°

3 結果分析

綜合兩組測點所取得的壓裂曲線和應力數值，基本判斷結果具有較高的可靠性：

1）根據對測點1 和測點2 水平應力和垂直應力的數據分析，判定該區域屬于低應力值區域。

2）所測區域應力場類型為σmax＞σmin＞σc型。在工程實踐中也證明，巷道頂底板主要受水平主應力的印象城影響，巷道兩幫主要受垂直應力的影響。

3）測點1 最大水平主應力方向為N52.3°W，測點2 最大水平主應力方向為N49.6°W，測試結果具有較強的一致性。

4 結語

在煤巖體地質力學中，小孔徑水壓致裂地應力測量技術是一種簡捷和容易操作的測試系統，依靠直徑58 mm 的鉆孔可以省去套芯等精密儀器的使用，對目標巖體進行直接測量。通過對莊旺煤礦的實際測量結果，建議礦井在生產過程中應當持續開展地質力學的測試工作，提前測量和準備完整的地質資料，作為礦井提高安全性及生產高效性的基石。