基于鉆孔水壓致裂法地應(yīng)力測試設(shè)備的優(yōu)化

梁超　呂力行　童祥軒

摘要：水壓致裂法應(yīng)用于地應(yīng)力的測量，是因為其測試方法簡捷測量深度大，又不涉及巖體彈性參數(shù)，并且能夠準確地測量出地應(yīng)力以及煤層強度，從而保障高壓工作環(huán)境下的安全性。但是由于運用單回路與雙回路兩套裝置，導致準確率降低、效率低下。因此本文主要通過對其工作原理的分析提出優(yōu)化方案，找到兩套裝置的鏈接關(guān)鍵，從而對溢流閥進行改造將兩套裝置結(jié)合。試驗結(jié)果表明：優(yōu)化方案可行，改造合理，止水效果好并且質(zhì)量輕、體積小，操作便捷適用于煤礦井下深部作業(yè)。

Abstract： Drilling hydraulic fracturing method is used in measuring crustal stress because this measurement method is simple and the measurement depth is deep， it does not involve elastic parameters of rock and can accurately measures the crustal stress and strength of coal seam to ensure the safety of the high pressure working environment. However， due to the use of single loop device and double loop device， the accuracy and efficiency is low. So， this paper mainly analyzes its working principle to put forrward the optimization scheme to find the key link of the two sets of devices. Thus， the relief valves are be transformed to combine the two sets of devices. The test results show that the optimized scheme is feasible， the modification is reasonable， the water stop effect is good and the quality is light， volume is small， the operation is more applicable to coal mine deep operations.

關(guān)鍵詞：鉆孔水壓致裂法；地應(yīng)力；液壓致裂儀；溢流閥

Key words： borehole hydraulic method；crustal stress；hydraulic fracturing instrument；relief valve

中圖分類號：U451+.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）07-0234-03

0 引言

隨著我國煤礦開采的不斷深入，深部開采所帶來的高壓工作環(huán)境日益增多，從而導致了煤礦突水事故的不斷增加。因此進行地應(yīng)力和煤層強度測試以保障高壓工作環(huán)境下的安全性顯得尤為重要。

煤層底板原位地應(yīng)力測試系統(tǒng)是我國煤層底板水文地質(zhì)條件探查和評價的重要設(shè)備之一，該方法1986年從匈牙利引進以來為我國煤層水害的防治做出了重要貢獻[1]。目前許多煤礦對煤層底板原位應(yīng)力測試的要求卻越來越強烈。例如：晉城，淮北，皖北，徐州，峰峰和東山等煤（礦）業(yè)集團在突水危險日趨嚴重的情況下，都迫切需要進行底板測試，特別是國家《煤礦防治水規(guī)定》頒布以來，對煤柱的水壓致裂原位強度測試進行了強制要求[2]。由此可見煤礦企業(yè)對鉆孔水壓致裂測試設(shè)備的需求與重視。但是由于，單回路和雙回路兩套設(shè)備轉(zhuǎn)換系統(tǒng)操作復雜，從而降低了測量的精確度以及工作效率，并且增加了工程成本。所以，我們以經(jīng)濟高效，精確實用為理念，設(shè)計一套兩者相結(jié)合的新型水壓致裂測量儀器，更好的適用于煤礦地應(yīng)力的測量。從而推動我國煤礦突水預測技術(shù)和煤柱合理留設(shè)技術(shù)的深入發(fā)展。

1 工作原理

水壓致裂法應(yīng)力測試系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)、分割系統(tǒng)、定向系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。它是通過向鉆孔內(nèi)的2個分割器內(nèi)注入高壓水，使之膨脹之間，起到密封作用，然后在向封隔器之間的裸露巖石中施加液壓使孔壁巖石破裂而測量地應(yīng)力的[3]。該方法由于曲線拐點明顯、清晰、精度高在地震地質(zhì)方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[4]。

液壓系統(tǒng)是水壓致裂法應(yīng)力測試系統(tǒng)的主要組成部分，它的主要作用是2個分割器內(nèi)注入高壓水，起到密封作用，然后在向封隔器之間的裸露巖石中施加液壓使孔壁巖石破裂而測量地應(yīng)力的[5]。

單回路液壓系統(tǒng)指的是封隔器加壓管路系統(tǒng)和致裂加壓管路系統(tǒng)重合液壓系統(tǒng)。要實現(xiàn)這一目標，需要特制的溢流閥。該溢流閥限定的壓力差小于10MPa，連接兩個封隔器的液壓傳遞。

其工作原理是：液體從左側(cè)溢流閥一個管道進入封隔器，使得封隔器膨脹至設(shè)定壓力，達到設(shè)定壓力后溢流閥另一個管道打開，液體從溢流口流出進入致裂室，并保持封隔器和致裂室的壓力差保持于設(shè)定值，直到致裂后泄壓。這樣就保證封隔器的密封效果[6]。

單回路系統(tǒng)節(jié)約了一套管子，可以有效地防止事故的發(fā)生，不會卡住儀器發(fā)生事故，且操作簡便。圖1所示為水壓法致裂儀單回路裝置。

雙回路液壓系統(tǒng)指的是封隔器液壓加載系統(tǒng)和致裂加載系統(tǒng)分屬不同的系統(tǒng)。封隔器的加壓系統(tǒng)為單獨的高壓油管，致裂室的加壓系統(tǒng)為鉆桿[7]。（圖2）

其工作原理是：工作時首先由高壓油管對封隔器充水加壓，使封隔器膨脹堵住鉆孔，壓力達到預定值后再由鉆桿對致裂室充水加壓[8]。

雙回路液壓系統(tǒng)時常用的系統(tǒng)，能減少封隔器對孔壁的破壞，且在巖石條件不好的情況下測試效果好。

現(xiàn)在要實現(xiàn)單回路和雙回路傳壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)各種不同的現(xiàn)場情況。

2 地應(yīng)力測試設(shè)備優(yōu)化

首先對其原理進行了一系列的分析，單回路系統(tǒng)節(jié)約了一套管子，可以有效地防止事故的發(fā)生，不會卡住儀器發(fā)生塌孔卡儀器事故，且操作簡便，而雙回路液壓系統(tǒng)是時常用的系統(tǒng)，能減少封隔器對孔壁的破壞，且在巖石條件不好的情況下測試效果好。要做到兩種儀器的方便攜帶與使用就要使兩者結(jié)合起來成為一套儀器，單雙回路可交替調(diào)整，既節(jié)省材料又方便攜帶而且最主要的是能做到更準確的測量。分析單雙回路最大的區(qū)別就是“溢流閥”，溢流閥是只有單回路有的。

2.1 優(yōu)化方案一

于是想了第一套方案：改變溢流閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得在一個開關(guān)的調(diào)解下實現(xiàn)單雙回路轉(zhuǎn)換，然而在直徑不到100mm的純鐵柱里面要做到能單雙回路的交替變換并且還是在壓力高達10MPa的情況下，這就得有很高的技術(shù)含量，要么是堅固巧妙的機械設(shè)計，要么就是精密的電子控制，但是考慮到我們當前有限的條件，這套方案是行不通了。于是，從大的方面，根本問題著手進行分析，還是單雙回路的最大區(qū)別“溢流閥”，第一套方案考慮的是溢流閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題，然而現(xiàn)在將這套方案擴展考慮，由于溢流閥的“去留問題”，去就是“雙”回路，而留便是“單”回路，要是在原來單回路的基礎(chǔ)上去留那肯定不會得到想要的結(jié)果，因為單回路在管道的構(gòu)造上就只能是單流，所以我們還得改封隔器里面的管道設(shè)計。要去了溢流閥成雙回路的那必須就得有兩根管。

2.2 優(yōu)化方案二

在這種考慮之下我們想到了第二套方案：在雙回路上加上溢流閥，只有這樣才能做到去溢流閥是雙回路，不去就是單回路，但是這溢流閥到底要加到哪兒呢，加到哪兒才能做到去留方便，管路簡單，根據(jù)這一條件我們又制定出了兩套子方案：①加在原來單回路的位置也就是致裂室里；②加在鉆桿與封隔器的連接處。

首先分析第一套子方案，要是把溢流閥加在兩封隔器之間，那就必須改變封隔器中的管道設(shè)計，轉(zhuǎn)換主次管道，轉(zhuǎn)換外接口，這樣才可能做到去留交替變換。

其次分析第二套子方案，接在封隔器與鉆桿之間（圖3）

首先改變溢流閥的內(nèi)部構(gòu)造，因為要在雙回路的端口加上溢流閥，那溢流閥的接口設(shè)計就必須是“一進兩出”，即一個口進兩個口出，這樣就直接可以接上再無需更改封隔器的結(jié)構(gòu)。（圖4）

2.3 優(yōu)化方案的對比與分析

要用單回路接上溢流閥，要用雙回路只要取下溢流閥，然后封隔器兩個接口分別接外界的鉆桿與高壓油管就可以了。對比兩套方案進行分析：

第一套主要更改封隔器，而封隔器里面的管道構(gòu)造比較復雜，而其外部主要由橡膠材料構(gòu)成并且它還要承受十幾兆帕的壓力，所以對其的密封性有很高的要求。

第二套方案，主要是改造溢流閥，而溢流閥的內(nèi)部設(shè)計簡單，其整個設(shè)備全部由鋼鐵制成，所以密封性不成問題。而就成本來說第二套方案略低一點兒。

因此我們通過綜合考慮，得出第二套方案具有更好的現(xiàn)實意義，不僅可以解決技術(shù)問題，也可以做到節(jié)省成本。完全符合我們的經(jīng)濟高效，精確實用的理念。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

采用第二套方案改造好的水壓致裂法地應(yīng)力測量設(shè)備對貴州某煤礦51519工作面F16斷層下盤一側(cè)14號煤層進行了抗張強度水壓致裂測試，為斷層防隔水煤柱留設(shè)寬度的計算提供了依據(jù)。測試鉆孔布置如圖5所示，鉆孔參數(shù)見表1。

在S1孔測試時，23m處很難送入；S2孔28-30m為頂板灰?guī)r；S3孔坍塌，測試儀被卡死無法取出，該孔報廢；S4孔在40m處塌孔。各孔水壓致裂測試結(jié)果見表2。

4 結(jié)論

①現(xiàn)場測試表面，優(yōu)化方案可行，改造合理，止水效果好，實驗數(shù)據(jù)準確可靠。

②該水壓致裂法測試設(shè)備經(jīng)過改造后，避免了測量時與造孔相互影響，明顯的提高了工作效率，減輕勞動強度，并且質(zhì)量輕、體積小，操作便捷適用于煤礦井下深部作業(yè)。

③通過對鉆孔水壓致裂法測試設(shè)備的優(yōu)化，使其單回路和雙回路設(shè)備相結(jié)合，更好的應(yīng)用與各種環(huán)境下的地應(yīng)力測量，并且增強了測量精確度。

④使用該儀器測定煤層抗張強度對推動突水預測技術(shù)和煤柱合理留設(shè)技術(shù)的深入發(fā)展具有現(xiàn)實意義，能夠產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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