王莊煤礦740水平地應(yīng)力測試研究

胡學(xué)軍

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.山西潞安元豐礦業(yè)有限公司，山西省長治市，046204）

王莊煤礦740水平地應(yīng)力測試研究

胡學(xué)軍1，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.山西潞安元豐礦業(yè)有限公司，山西省長治市，046204）

針對(duì)王莊煤礦地質(zhì)構(gòu)造情況，采用小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測量裝置，對(duì)740水平進(jìn)行地應(yīng)力測試。結(jié)合礦井區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和煤巖層賦存條件，分析了該水平地應(yīng)力的特點(diǎn)。研究表明，該研究區(qū)域的地應(yīng)力基本上是由自重應(yīng)力和水平構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)成，構(gòu)造應(yīng)力在地應(yīng)力中所占比重大于自重應(yīng)力；最大主應(yīng)力在近水平方向，最大水平主應(yīng)力方向主要集中在N42.0°W～N59.2°W之間，最大水平主應(yīng)力與巷道的夾角近似超過45°。

地應(yīng)力測量 水壓致裂法 應(yīng)力場 分布特征

TD311

A

地應(yīng)力是采場工作面、巷道圍巖中產(chǎn)生礦井動(dòng)力現(xiàn)象的根本作用力。隨著采場規(guī)模的擴(kuò)大和向深度發(fā)展，地應(yīng)力對(duì)圍巖變形與破壞的影響更加突出。在煤礦礦區(qū)進(jìn)行地應(yīng)力測量并分析地應(yīng)力場分布特征，對(duì)礦井初期規(guī)劃時(shí)工作面與巷道布置、開采期間的支護(hù)設(shè)計(jì)具有重要意義。

地應(yīng)力測量方法有多種，根據(jù)測量基本原理不同，可將測量方法分為直接測量法和間接測量法。直接測量法包括扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計(jì)法和聲發(fā)射法，間接測量法包括套孔應(yīng)力解除法、局部應(yīng)力解除法、松弛應(yīng)變測量法和地球物理探測法。目前，水壓致裂法由于其操作與設(shè)備相對(duì)簡單，測量深度較深，得到了廣泛應(yīng)用。

本文采用水壓致裂法對(duì)王莊礦區(qū)740水平進(jìn)行地應(yīng)力測試，布置了多個(gè)測點(diǎn)，監(jiān)測分析礦區(qū)740水平地應(yīng)力場特征與規(guī)律，為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 水壓致裂法

水壓致裂法是近幾年發(fā)展起來的。其方法是利用膨脹封隔器在已知深度上封隔一段鉆孔，然后對(duì)封隔器之間的巖孔進(jìn)行高壓注水。利用記錄到的破壞壓力、瞬時(shí)關(guān)閉壓力和使破裂重新張開的壓力，確定水平主應(yīng)力值，再通過印模套筒向鉆孔壁膨脹，印下破裂的印痕，從而確定破裂方位，而破裂的方向也就是水平最大主應(yīng)力方向。采用水壓致裂法操作過程如下：

（1）根據(jù)地質(zhì)編錄及地質(zhì)柱狀圖，巖芯及井徑測井資料選取鉆孔測試段。一般情況下，要求所選取的測試段為完整巖石段，并且其長度大于1.5m。為保證獲得更多的有效數(shù)據(jù)，對(duì)每個(gè)孔盡可能多地選擇一些測試段。

（2）鉆桿泄漏試驗(yàn)。正式壓裂以前，對(duì)測試所用鉆桿進(jìn)行泄漏試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力大于15MPa，對(duì)有輕微泄漏的鉆桿及接頭進(jìn)行技術(shù)處理或更換，以保證測試數(shù)據(jù)的可靠性。

（3）將封隔器安置在預(yù)期的試驗(yàn)段。

（4）對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行測漏試驗(yàn)。對(duì)封隔器進(jìn)行打壓，將測試段封隔，然后以較小的壓力（壓力值視巖性而定）向封隔段內(nèi)注水，壓力達(dá)到一定值后停止泵入，然后關(guān)閉高壓泵，從壓力隨時(shí)間的下降曲線判斷測試段的泄漏情況。將泄漏比較嚴(yán)重的測試段剔除，重新選擇測試段。反之，即可進(jìn)行下一步工作。

（5）破裂試驗(yàn)。將水泵入測試段，以使測試段加壓，當(dāng)測試段井壁（孔壁）由于水壓產(chǎn)生破裂時(shí)停泵，待壓力穩(wěn)定后將壓力管道的壓力與大氣接通，打開閥門迅速將水返出。

（6）重張?jiān)囼?yàn)。待壓裂管道內(nèi)的壓力回零后，開始第二次注水，直到第一次產(chǎn)生的破裂縫重新張開，然后關(guān)泵，繼續(xù)記錄一段壓力隨時(shí)間的衰減曲線后，使壓力回零。一般情況下，重張?jiān)囼?yàn)需重復(fù)3～4次。

（7）鉆孔破裂印模，將帶有羅盤定向裝置的印模膠筒下到已經(jīng)產(chǎn)生壓裂縫的孔段，加壓并保持一段時(shí)間，一般要在0.5～1h左右，然后把其拿出孔外，把印模膠筒上的裂縫痕跡描在專用薄膜上，記錄好相應(yīng)的參數(shù)，以備整理。

2 測試地點(diǎn)地質(zhì)條件及分布

2.1 測點(diǎn)地質(zhì)概況

5205工作面掘進(jìn)3＃煤層，賦存于二疊系山西組地層中，為陸相湖泊型沉積，煤層厚6.91m，厚度穩(wěn)定，全煤含夾矸5層，其中上分層含夾矸2層，下分層含夾矸3層，總厚度0.42m。南鄰52輔助運(yùn)輸巷，北為5207已采工作面，西接52運(yùn)輸巷，東為13放水巷。該工作面整體上看為一向西北方向傾斜的單斜構(gòu)造，局部略有起伏，煤層傾角為1～7°。

2.2 測點(diǎn)布置

第一測站設(shè)在王莊礦43三下山。該巷道沿3＃煤層頂板掘進(jìn)，巷道采用錨桿支護(hù)，巷道高3.20m。從頂板地應(yīng)力測試孔所取出的巖芯來看，巷道頂部7.1m為灰黑色泥巖和砂質(zhì)泥巖，其中1.5m內(nèi)巖芯破碎，4m處有破碎帶存在，整體巖芯較破碎；7.1m以上為白砂巖，致密堅(jiān)硬，巖芯較完整，局部有縱向裂隙。

第二測站設(shè)在王莊煤礦43二下山軌道巷中。該巷道沿3＃煤層頂板掘進(jìn)，巷道采用錨桿支護(hù)，巷道高3.20m。分析頂板地應(yīng)力測試孔取出的巖芯，巷道頂部0～3.4m為灰黑色泥巖和砂質(zhì)泥巖，巖芯極不完整；在1.88～2.03m處有縱向裂隙；3.40～19.10m為砂巖，致密堅(jiān)硬，巖芯較完整，局部有縱向裂隙。

第三測站設(shè)在王莊礦43三下山南翼軌道巷中。該巷道沿煤層底板掘進(jìn)，采用錨網(wǎng)支護(hù)。分析頂板地應(yīng)力測試孔取出的巖芯，巷道頂部有4.10m厚的煤層，巖芯破碎；4.10～6.70m為泥巖，灰黑色，巖芯較破碎；6.70～9.70m為粉砂巖，灰白色，以石英為主，較完整；9.70～20.00m為中砂巖，呈灰黑色，致密，塊狀，巖芯較完整。

3 測試結(jié)果與分析

采用公式計(jì)算得到最大水平應(yīng)力、最小水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力，見表1?？妆趲r石的壓裂完成后，對(duì)孔壁壓裂部位進(jìn)行了印模，以便取得水壓裂縫的走向。印模結(jié)果如圖1所示。

表1 地應(yīng)力測試結(jié)果

第一測站側(cè)壓比（即最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值）為1.84，平均水平主應(yīng)力為6.14 MPa，平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值為1.49，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹55.0°W；第二測站側(cè)壓比為1.90，平均水平主應(yīng)力為8.49MPa，平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值為1.63，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹59.2°W；第三測站側(cè)壓比為1.78，平均水平主應(yīng)力為7.77MPa，平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值為1.44，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹42.0°W。

圖1 740水平地應(yīng)力測試印模圖

4 結(jié)論

（1）王莊煤礦740水平測試地點(diǎn)平均埋深為202m，3個(gè)測站中最大水平主應(yīng)力范圍為7.60～9.92MPa，最小水平主應(yīng)力范圍為4.68～7.06 MPa，平均水平主應(yīng)力范圍為6.14～8.49MPa，垂直應(yīng)力范圍為4.13～5.39MPa。

（2）3個(gè)測站中的最大水平主應(yīng)力＞最小水平應(yīng)力＞垂直主應(yīng)力，側(cè)壓比范圍為1.78～1.90，平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值范圍為1.44～1.63，地應(yīng)力基本上是由自重應(yīng)力和水平構(gòu)造應(yīng)力所構(gòu)成，水平構(gòu)造應(yīng)力在地應(yīng)力中所占比重要大于自重應(yīng)力。

（3）最大主應(yīng)力在近水平方向，最大水平主應(yīng)力方向主要集中在N42.0°W～N59.2°W之間，最大水平主應(yīng)力與巷道的夾角近似超過45°，這使得巷道側(cè)幫的水平應(yīng)力較大，這在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)予以充分重視。

［1］ 馬念杰，劉少偉，李英明.基于地應(yīng)力的煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)與軟件研究［J］.中國煤炭，2004（2）

［2］ 蔡美峰.地應(yīng)力測量原理與技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2000

［3］ 倪興華.地應(yīng)力研究與應(yīng)用［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007

［4］ 康紅普，顏立新，張劍.汾西礦區(qū)地應(yīng)力測試與分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009（3）

［5］ 劉允芳，劉元坤.水壓致裂法三維地應(yīng)力測量方法的研究［J］.地殼形變與地震，1999（3）

［6］ 陳治中，汪占領(lǐng)，王文新.棗泉煤礦地應(yīng)力測試及其分布［J］.煤礦開采，2011（5）

Research on crustal stress measurement on 740 level of Wangzhuang Coal Mine

Hu Xuejun1，2
（1.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Haidian，Beijing 100083，China；2.Shanxi Lu＇an Yuanfeng Coal Mining Company Ltd.，Changzhi，Shanxi 046204，China）

Aimed at the geological structure of Wangzhuang Coal Mine，the crustal stress measurement was carried out with the help of the small borehole hydraulic fracturing test unit on 740level.The characteristics of crustal stress was analyzed according to the geological structure and the coal strata occurrence.The research showed that the crustal stress in this region involves gravity stress and horizontally structured stress，and the latter makes greater contribution than the former.The maximum main stress was in the nearly horizontal direction，while the maximum horizontal main stress mainly distributed in the range of N42.0°W－N59.2°W，and the angle between it and the roadway was approximately greater than 45°.

crustal stress measurement，hydraulic fracturing method，stress field，distribution characteristics

胡學(xué)軍（1961－），男，山西省朔州人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任潞安元豐礦業(yè)有限公司總經(jīng)理，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）在讀博士研究生，主要從事采礦工程技術(shù)研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）