水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試在煤礦工程中的應(yīng)用探索

白運(yùn)強(qiáng) 宋偉 張建

1.淮河能源控股集團(tuán)有限責(zé)任公司顧橋礦，中國(guó)·安徽 淮南 232000

2.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，中國(guó)·陜西 西安 710054

礦井安全生產(chǎn)中，特別是在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)、沖擊地壓防治和底板水防治工作中，應(yīng)考慮地應(yīng)力的這一主要影響因素。

煤礦工程；礦井安全；巷道支護(hù)

1 工程概況

顧橋煤礦-780m水平南翼大巷是連接中央?yún)^(qū)和南區(qū)的主要運(yùn)輸大巷，位于11-2層煤頂板和13-1層煤底板之間，是煤礦運(yùn)輸?shù)纳€(xiàn)。大巷位于南翼構(gòu)造密集區(qū)，過(guò)F92大斷層，受三條主要斷層和該區(qū)域眾多次生斷層影響，構(gòu)造發(fā)育，巖體異常破碎。中央?yún)^(qū)鉆孔布置平面圖如圖1所示。

圖1 中央?yún)^(qū)鉆孔布置平面圖

根據(jù)圍巖地質(zhì)狀況，選定南翼軌膠五聯(lián)巷作為測(cè)試地點(diǎn)。布置了兩個(gè)測(cè)：1#測(cè)孔：垂直孔，垂直底板，孔徑φ91mm，孔深20m；2#測(cè)孔：水平孔，孔徑φ91mm，孔深24m?，F(xiàn)場(chǎng)打鉆取芯情況為：水平孔砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，巖石強(qiáng)度低，成孔質(zhì)量差，且?guī)r芯餅化現(xiàn)象嚴(yán)重，屬高地應(yīng)力常見(jiàn)特征；垂直孔巖芯主要為泥巖，成孔差。

2 水壓致裂法實(shí)驗(yàn)介紹

2.1 水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量的主要設(shè)備

水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量的主要設(shè)備由三個(gè)部分組成：一是鉆孔承壓段的封隔系統(tǒng)；二是加壓系統(tǒng)；三是測(cè)量和記錄系統(tǒng)，包括函數(shù)記錄儀、壓力傳感器、流量傳感器、壓力表等。

如圖2所示，為本項(xiàng)目采用的輕型封隔器示意圖，總長(zhǎng)約3.4m，膠筒長(zhǎng)1.2m，座封后形成的液壓段長(zhǎng)度為1m。

圖2 輕型封隔器示意圖

2.2 水壓致裂法測(cè)試步驟

水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量的壓力管路系統(tǒng)分雙管加壓系統(tǒng)和單管加壓系統(tǒng)。雙管加壓系統(tǒng)的管路是高壓油管和鉆桿，試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)高壓油管和鉆桿對(duì)封隔器和鉆孔壓力段加壓。單管加壓系統(tǒng)的管路是鉆桿，試驗(yàn)過(guò)程中，依靠安裝在鉆孔孔口的推拉閥控制壓力液體的流向，分別對(duì)封隔器和鉆孔壓裂段加壓。本次試驗(yàn)中采用單管系統(tǒng)。水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量的具體方框圖如圖3所示，相應(yīng)的壓裂過(guò)程曲線(xiàn)如圖4所示。

圖3 水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量程序

圖4 水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量壓裂過(guò)程曲線(xiàn)

在進(jìn)行正式水壓致裂測(cè)試之前，必須對(duì)鉆孔的透水率、鉆孔傾斜度等進(jìn)行檢查，同時(shí)根據(jù)工程的需要選擇合適的壓裂段，并對(duì)每根加壓鉆桿進(jìn)行密封檢驗(yàn)。水壓致裂法測(cè)試步驟如下。

2.2.1 座封

通過(guò)鉆桿將兩個(gè)可膨脹的橡膠封隔器放置到選定的壓裂段，加壓使其膨脹、座封于孔壁上，形成承壓段空間(本次試驗(yàn)中座封壓力為4MPa)。

2.2.2 注水加壓

通過(guò)鉆桿推動(dòng)轉(zhuǎn)換閥后，液壓泵對(duì)壓裂段注水加壓（此時(shí)封隔器壓力保持不變），鉆孔孔壁承受逐漸增強(qiáng)的液壓作用。

2.2.3 巖壁致裂

在足夠大的液壓作用下，孔壁沿阻力最小的方向出現(xiàn)破裂，該破裂將在垂直于橫截面上最小主應(yīng)力的平面內(nèi)延伸。與之相應(yīng)，當(dāng)泵壓上升到臨界破裂壓力Pb后，由于巖石破裂導(dǎo)致壓力值急劇下降。

2.2.4 關(guān)泵

關(guān)閉壓力泵后，泵壓迅速下降，然后隨著壓裂液滲入到巖層泵壓下降緩慢。當(dāng)壓力降到使裂縫處于臨界閉合狀態(tài)時(shí)的壓力，稱(chēng)為瞬時(shí)關(guān)閉壓力Ps。

2.2.5 卸壓

打開(kāi)壓力閥卸壓，使裂縫完全閉合，泵壓記錄降為零。

2.2.6 重張

按2至5步驟連續(xù)進(jìn)行多次加壓循環(huán)，以便取得合理的壓裂參數(shù)，以判斷巖石破裂和裂縫延伸的過(guò)程。

2.2.7 解封

壓裂完畢后，通過(guò)鉆桿拉動(dòng)轉(zhuǎn)換閥，使封隔器內(nèi)液體通過(guò)鉆桿排出，此時(shí)封隔器收縮恢復(fù)原狀，即封隔器解封。

2.2.8 破裂縫方向記錄

采用定向印模器，通過(guò)擴(kuò)張印模膠筒外層的生橡膠和能自動(dòng)定向的定向器記錄破裂縫的長(zhǎng)度和方向。

2.3 結(jié)果分析

壓力參數(shù)Pb、Ps、Pr、P0是水壓致裂法地應(yīng)力量測(cè)計(jì)算地應(yīng)力量值得依據(jù)，通常根據(jù)壓裂過(guò)程曲線(xiàn)特征的位置確定。一般地，破裂壓力Pb取為第一次壓裂循環(huán)增壓曲線(xiàn)的峰值[1]。重張壓力Pr采用第二次及其以后壓裂循環(huán)曲線(xiàn)壓力上升部分拐點(diǎn)處的壓力。由于壓力上升部分曲線(xiàn)變化較陡，也可以把偏離直線(xiàn)（或近似直線(xiàn)）處的壓力視為重張壓力，如圖5所示。對(duì)于瞬時(shí)關(guān)閉壓力Ps通常采用破裂壓力和重張壓力之后壓裂循環(huán)曲線(xiàn)下降部分拐點(diǎn)處的壓力。

圖5 依據(jù)壓力循環(huán)曲線(xiàn)確定 sP、 rP 示意圖

3 顧橋礦中央?yún)^(qū)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

3.1 水平孔

初步設(shè)計(jì)孔深35m，因現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工困難，實(shí)際孔深24m，孔徑為Φ91mm，在孔深16m 和21m處獲得了兩段實(shí)測(cè)巖體水壓致裂地應(yīng)力試驗(yàn)曲線(xiàn)，其測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。各測(cè)段壓力－時(shí)間曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 水平測(cè)試孔16m 測(cè)試段壓力—時(shí)間曲線(xiàn)

3.2 垂直孔

垂直孔深20m，孔徑為Φ91mm。在孔深14m 和16m處獲得了2段實(shí)測(cè)巖體水壓致裂地應(yīng)力試驗(yàn)曲線(xiàn)，其測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。各測(cè)段壓力－時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

圖7 垂直孔14m 壓力～時(shí)間關(guān)系實(shí)測(cè)曲線(xiàn)

表1 水平孔水壓致裂成果表

表2 垂直孔水壓致裂成果表

3.3 測(cè)試成果分析

3.3.1 試驗(yàn)結(jié)果的可靠性分析

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)各試驗(yàn)段的壓力－時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)均符合理論曲線(xiàn)，壓裂過(guò)程中的規(guī)律性好，無(wú)異常現(xiàn)象。因此，本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的可靠性。

3.3.2 最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力的量級(jí)

由表1可知，在測(cè)試深度范圍內(nèi)，水平孔最大主應(yīng)力實(shí)測(cè)值在29.78～30.80MPa；最小主應(yīng)力實(shí)測(cè)值在17.39～17.89MPa。

由表2可知，在測(cè)試深度范圍內(nèi)，垂直孔最大水平主應(yīng)力值在28.53～28.78MPa；最小水平主應(yīng)力值在16.34～16.49MPa。

3.3.3 最大水平主應(yīng)力的方向

在本次實(shí)測(cè)深度范圍內(nèi)地應(yīng)力測(cè)試孔最大水平主應(yīng)力的方向?yàn)镹E830左右，近東西向，該測(cè)試區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)以構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)。

根據(jù)淮南礦區(qū)同一水平條件下的巖體抗壓強(qiáng)度（巖體的抗壓強(qiáng)度Rc ＝40～50MPa）分析，σmax ＝30.80MPa（水平孔16m 深測(cè)點(diǎn)的最大測(cè)量值），Rc/σmax ＝1.30～1.62，顧橋礦南翼大巷地質(zhì)異常帶地應(yīng)力測(cè)試區(qū)域?yàn)闃O高地應(yīng)力區(qū)。