淮南煤田潘集煤礦外圍勘查區(qū)水壓致裂地應(yīng)力測量研究*

吳基文 張文永 彭 華 翟曉榮 沈書豪 孫 貴 畢堯山

(①安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 淮南 232001， 中國) (②安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院， 合肥 230088， 中國) (③中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所， 北京 100080， 中國)

0 引 言

地應(yīng)力是造成地下工程變形和破壞的根本作用力，是獲取工程巖體力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)地下工程開挖設(shè)計(jì)與管理的前提條件(蔡美峰， 2000)。地應(yīng)力與深部井巷的維護(hù)、沖擊地壓、煤與瓦斯突出、礦井突水等礦井地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的關(guān)系十分密切。準(zhǔn)確掌握工程區(qū)域的地應(yīng)力特征，對合理確定礦井總體布置、進(jìn)行巷道優(yōu)化設(shè)計(jì)具有極其重要的意義，不僅可以改善巷道維護(hù)狀況，避免災(zāi)害發(fā)生，提高生產(chǎn)效率，而且可以節(jié)約大量的巷道維護(hù)成本，大大提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益(蔡美峰， 2001； 康紅普等， 2007； 張延新等， 2010)。

由于地應(yīng)力的形成原因比較復(fù)雜，而現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)也是十分復(fù)雜、多變的，迄今為止，還很難用數(shù)學(xué)方式來描述地應(yīng)力場。要了解一個(gè)地區(qū)的地應(yīng)力場特征，開展地應(yīng)力測量是唯一的方法(蔡美峰， 2000)。

安徽淮南潘集煤礦外圍(深部)勘查區(qū)煤炭資源賦存狀況良好，淺部緊鄰潘謝礦區(qū)生產(chǎn)礦井，且勘查面積較大，走向延伸較長，下一步需進(jìn)行礦區(qū)總體發(fā)展規(guī)劃和井田劃分。為此開展了普查、詳查工作。同時(shí)結(jié)合勘查工程，開展了深部煤炭勘查與開采地質(zhì)條件的研究，其中地應(yīng)力測量與評價(jià)是地質(zhì)勘查的重要內(nèi)容之一。

當(dāng)前測量現(xiàn)今地應(yīng)力主要有應(yīng)力解除方法、水壓致裂方法、巖石聲波速度方法、巖石聲發(fā)射方法等。水壓致裂法是公認(rèn)的測量地應(yīng)力大小的最有效方法(陳家庚等， 1989)，是國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)推薦的地應(yīng)力測量方法之一(Hudson et al.，2003)，被廣泛應(yīng)用于涉及巖石工程的各個(gè)領(lǐng)域(劉允芳， 1991； Hayashi et al.，1997； 王章瓊等， 2016； 韓振華等， 2019)，在隧道工程(黃藝丹等， 2021； 徐正宣等， 2021； 張玉璽， 2021)、水利水電工程(趙國平等， 2013)、地殼穩(wěn)定性評價(jià)(牛琳琳等， 2015； 陳群策等， 2019)、非常規(guī)油氣資源(頁巖氣、煤層氣)賦存與開發(fā)條件評價(jià)(李勇等， 2014； 張光晗， 2019)中開展了水壓致裂法地應(yīng)力測量研究，為工程設(shè)計(jì)和評價(jià)提供了有效數(shù)據(jù)。由于水壓致裂法在煤礦地應(yīng)力測量方面尤其是在礦井的前期勘探中具有最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，因此在礦井的勘探階段得到了廣泛應(yīng)用(Klee et al.，1999； 尤明慶， 2005； Bohloli et al.，2006； 蔡美峰等， 2006)。近年來，隨著煤礦進(jìn)入深部開采，井巷圍巖變形破壞嚴(yán)重，地應(yīng)力參數(shù)受到高度重視，眾多煤礦在深部采區(qū)或補(bǔ)勘區(qū)均開展了水壓致裂法地應(yīng)力測量(張蕊等， 2010； 彭華等， 2011； 孫東生等， 2015； 藺亞兵等， 2020)，獲得了地應(yīng)力場特征，為礦井巷道布置以及災(zāi)害防治提供了可靠參數(shù)。為此，本次針對潘集煤礦外圍勘查區(qū)的地應(yīng)力測量亦采用水壓致裂法進(jìn)行。

1 水壓致裂法地應(yīng)力測試原理與方法

1.1 測試原理與計(jì)算方法

水壓致裂法地應(yīng)力測量，產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代，是目前國內(nèi)外直接進(jìn)行深孔測量地殼應(yīng)力可靠而有效的方法。該方法可直接獲得地應(yīng)力場參量，不需要測試巖石的力學(xué)參數(shù)，同時(shí)具有操作方便、測試速度快、連續(xù)重復(fù)測量、測值穩(wěn)定等特點(diǎn)(康紅普等， 2007； 楊紹喜， 2008； Chatterjee et al.，2010； 劉春香， 2011)，因此近年來發(fā)展迅速，并取得了許多成果，積累了豐富的地應(yīng)力實(shí)測資料。

水壓致裂法測量地應(yīng)力是以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，以3個(gè)假設(shè)，即： ①巖石是線性、均勻和各向同性的彈性體； ②巖石是完整的、非滲透的； ③巖層中有一個(gè)主應(yīng)力分量的方向平行于鉆孔軸向?yàn)榍疤?劉允芳等， 2006； 唐書恒等， 2011； 袁文峰等， 2012)。

水壓致裂地應(yīng)力測量系統(tǒng)是將鉆孔的某個(gè)測段封隔起來，并向該段鉆孔注入高壓水，致巖石破裂。

臨界破裂壓力為孔壁破裂處的集中應(yīng)力加上巖石的抗拉強(qiáng)度Thf，即

Pb=3σ2-σ1+Thf

(1)

式中：Pb稱為臨界破裂壓力，一般將裂縫處于臨界閉合狀態(tài)時(shí)的平衡壓力稱為瞬時(shí)關(guān)閉壓力PS，它等于垂直裂縫面的最小水平主應(yīng)力稱σh，即

PS=σh

(2)

若再次對封隔段增壓，使裂縫重新張開，便可獲得裂縫重新張開的壓力Pr。

最大水平主應(yīng)力σH的計(jì)算公式

σH=3PS-Pr-P0

(3)

式中：P0為巖層的孔隙水壓力。

垂直應(yīng)力是根據(jù)上覆巖石的重量計(jì)算而得，即

σv=ρgd

(4)

式(4)中：ρ為巖石密度(kg·m-3)；g為重力加速度(m·s-2)，d為深度(m)。

1.2 現(xiàn)場測試方法與程序

1.2.1 測試系統(tǒng)

本次研究采用的是中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所研制的SY-2010型單回路地應(yīng)力測量系統(tǒng)完成研究區(qū)的地應(yīng)力測量工作(馬秀敏， 2006； 彭華等， 2007， 2011)，整個(gè)裝置包括井上和井下兩部分，具體組成部分如圖 1所示。

圖 1 SY-2010型單回路水壓致裂地應(yīng)力測量系統(tǒng)Fig. 1 Single-loop hydraulic fracturing in-situ stress measurement system SY-2010

圖 2 研究區(qū)測量鉆孔分布位置Fig. 2 Location of measuring drillings of the study area

為適應(yīng)千米深孔地應(yīng)力測量，對傳統(tǒng)水壓致裂裝置進(jìn)行了改進(jìn)。SY-2010型為單回路系統(tǒng)，采用特殊密封鉆桿作為壓力管道，地面注壓站通過高壓管道向井下施加壓力，確保測量系統(tǒng)具有一定的剛度，能夠通過上覆松軟土層； 井下系統(tǒng)通過推拉開關(guān)轉(zhuǎn)換，可完成封隔器封隔和井段壓裂試驗(yàn)任務(wù)。采用特殊結(jié)構(gòu)的新型封隔器，耐壓提高至70MPa； 采用新型井下高強(qiáng)度推拉開關(guān)，在回路中增設(shè)了防堵塞裝置； 采用串列安裝的印模器和定向器，一次下井即可進(jìn)行多段印模。試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)采集和記錄，采用井上和井下兩套記錄裝置同時(shí)進(jìn)行。采用程序自動(dòng)控制測量過程中的加載和卸載，消除了人為因素的影響，使得測試結(jié)果更加可靠。

1.2.2 封隔段壓裂測量

水壓致裂法現(xiàn)場測試步驟為(馬秀敏， 2006)：

(1)選擇試驗(yàn)段； (2)檢驗(yàn)測量系統(tǒng)； (3)安裝井下測量設(shè)備； (4)座封； (5)壓裂； (6)關(guān)泵； (7)卸壓。

測量過程中，每個(gè)測段一般進(jìn)行4～6個(gè)回次，以獲得合理的應(yīng)力參數(shù)及準(zhǔn)確判斷巖石的破裂與裂縫的延展?fàn)顩r。

1.2.3 印模定向測量

地應(yīng)力方向的確定采用定向印模法(馬秀敏， 2006)，測量步驟為： (1)安裝測試儀器； (2)增壓膨脹； (3)卸壓提鉆； (4)確定基線方位； (5)繪制裂縫印痕； (6)計(jì)算破裂面走向(即是最大水平主應(yīng)力的方向)。

2 水壓致裂法地應(yīng)力現(xiàn)場測試工程與測試結(jié)果

2.1 工程地質(zhì)概況

淮南煤田潘集煤礦外圍煤炭勘查區(qū)位于淮南市潘集區(qū)和鳳臺(tái)縣境內(nèi)，其中心東南距淮南市約14km?？辈閰^(qū)位于淮北平原南端，地面標(biāo)高為20.136～23.795m，地勢平坦，僅北部有明龍山低矮山丘?？辈閰^(qū)處于淮南復(fù)式向斜東段和陳橋-潘集背斜轉(zhuǎn)折端的深部，北部起于明龍山斷層，南部連于謝橋-古溝向斜。陳橋-潘集背斜軸部位于10勘查線附近，軸向?yàn)镹WW向，背斜兩翼的地層傾角較小且變化不大。但兩翼的地層走向不同，南翼地層走向近EW～NWW向，北翼地層可能受構(gòu)造影響走向呈近SN。研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷裂為主，次級褶皺不發(fā)育。斷層走向主要呈NW、近EW向，其次為NE、NWW向，且以正斷層為主(圖 2)(吳桁， 2017)。本區(qū)地層自上而下依次為：第四系、新近系、古近系、三疊系、二疊系孫家溝組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、石炭系太原組、奧陶系、寒武系。地層巖性主要為各類砂巖、泥巖、煤和石灰?guī)r以及沖積層砂土、黏土等。地應(yīng)力測量鉆孔揭露煤層埋深為1500m左右，測試深度之大在國內(nèi)煤礦區(qū)尚屬少見。

2.2 測點(diǎn)布置

結(jié)合研究區(qū)詳查工程進(jìn)度，選擇14-2孔、6-2孔、24-5孔作為水壓致裂測試孔(圖 2)， 3個(gè)鉆孔的基本情況見表 1。每個(gè)鉆孔布置 9～10 個(gè)測段，共28個(gè)測段，所有測段均布置在煤系巖層中。其中1個(gè)鉆孔深度超過1400m， 2個(gè)鉆孔深度超過1500m，最大測點(diǎn)深度為1460m。各鉆孔測段分布見表 2和圖 3。

表 1 地應(yīng)力測試鉆孔基本情況表Table 1 Basic information of boreholes for in-situ stress test

表 2 地應(yīng)力測試鉆孔測段分布Table 2 Distribution of measuring sections of drillings for in-situ stress test

2.3 測量結(jié)果

由于受到風(fēng)化作用影響，勘探孔上部巖體破碎較嚴(yán)重，不適合進(jìn)行地應(yīng)力測量，選擇在鉆孔的中下段進(jìn)行，均位于二疊系上。本次測量共獲得了3個(gè)孔28個(gè)測段的有效測量數(shù)據(jù)，各鉆孔各測段壓裂曲線和印模圖見圖 4、圖 5。通過各孔的應(yīng)力測試和巖芯情況分析，各地應(yīng)力測試段巖石裂隙不發(fā)育，結(jié)構(gòu)較完整。

圖 3 各測量鉆孔測段分布圖Fig. 3 Distribution of measuring sections of measuring drillings a. 14-2孔； b. 6-2孔； c. 24-5孔

圖 4 測量鉆孔各測段壓裂試驗(yàn)記錄曲線Fig. 4 Fracturing test record curves of each section of measuring drillings a. 14-2孔； b. 6-2孔； c. 24-5孔

從測試數(shù)據(jù)來看，各個(gè)測段的數(shù)據(jù)都比較理想，均獲得了標(biāo)準(zhǔn)的壓力記錄曲線和明確的破裂壓力峰值，各個(gè)循環(huán)重復(fù)測量的規(guī)律性明顯，測得的壓裂參數(shù)也表現(xiàn)出良好的一致性。因此，測量結(jié)果較為可信。

通過對測試數(shù)據(jù)的系統(tǒng)整理和計(jì)算分析，得到了各個(gè)測段的Pb、Pr、Ps、P0、Thf等水壓致裂參數(shù)。根據(jù)測得的壓力參數(shù)及相關(guān)公式，得到最大、最小水平主應(yīng)力值(σH、σh)及垂直主應(yīng)力值(σv)，詳見表 3。其中，σv值是根據(jù)上覆巖層的厚度計(jì)算得到的，計(jì)算中土層和巖層的容重分別取20kN·m-3和27kN·m-3。

3個(gè)鉆孔(14-2、6-2、24-5)、28個(gè)測段的地應(yīng)力測量結(jié)果如表 3所示。

3 地應(yīng)力測量結(jié)果分析

3.1 潘集煤礦外圍勘查區(qū)地應(yīng)力量級和方向

由表 3所示的測試數(shù)據(jù)可以看出，潘集煤礦外圍勘查區(qū)地應(yīng)力有如下特征：

3.1.1 地應(yīng)力量級

測段深度在466～1460m范圍，地應(yīng)力測值：最大水平主應(yīng)力為13.62～54.58MPa，最小水平主應(yīng)力為11.79～37.93MPa，依據(jù)地應(yīng)力水平評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組， 2015)，結(jié)合巖石抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果(沈書豪等， 2017； 靳拓， 2018)，估算研究區(qū)巖石強(qiáng)度應(yīng)力比均小于4，屬于極高應(yīng)力水平。鉆孔所取巖芯呈餅狀現(xiàn)象(圖 6)，表明該區(qū)地應(yīng)力較高。

3.1.2 地應(yīng)力方向

在14-2孔、6-2孔、24-5孔共計(jì)28個(gè)測段中，采用印模器對其中的11個(gè)測段測定了最大水平主應(yīng)力的方向。不同鉆孔和不同測段的最大水平主應(yīng)力方向存在一定差異，但11個(gè)測點(diǎn)均位于 NE～SW向，平均走向?yàn)镹E64.22°，表明勘查區(qū)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹EE向。這一結(jié)果與現(xiàn)代震源機(jī)制以及新構(gòu)造活動(dòng)所反映的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場方向一致(劉東旺等， 2004； 倪紅玉等， 2013； 薛涼等， 2018)。

表 3 淮南潘集煤礦外圍水壓致裂地應(yīng)力測量結(jié)果Table 3 Results of in-situ stress measurement using hydraulic fracturing technique in Panji coal mine

表 4 地應(yīng)力比值計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of in-situ stress ratio

3.1.3 勘查區(qū)構(gòu)造應(yīng)力分析

勘查區(qū)實(shí)際水平地應(yīng)力值與靜巖派生地應(yīng)力的比值(σH/σ0)在2.96～4.06之間，構(gòu)造地應(yīng)力σg(σg=σH-σ0)在9.43～41.44MPa之間，勘查區(qū)原巖應(yīng)力狀態(tài)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)。

3.2 地應(yīng)力隨埋深的變化規(guī)律

將所測的3個(gè)鉆孔按深度進(jìn)行組合，得到潘集煤礦外圍勘查區(qū)地應(yīng)力隨埋深變化曲線(圖 7)。對最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力進(jìn)行了回歸分析，得到

圖 5 測量鉆孔各測段印模圖 a. 14-2孔； b. 6-2孔； c. 24-5孔Fig. 5 Impression results of each measuring section of the measuring drillings for in-situ stress test

圖 6 14-2孔1468～1472m深度餅狀巖芯Fig. 6 Discal core with depth of 1468～1472m in No. 14-2 hole

圖 7 潘集外圍勘查區(qū)地應(yīng)力隨埋深變化Fig. 7 Variation of in-situ stress with burial depth in the exploration area surrounding Panji coal mine

σH=0.0361D-2.9948(R2：0.9369)，

σh=0.0293D-2.4481(R2：0.9313)

(D為埋深，單位為m)

由圖 7可以看出，實(shí)測地應(yīng)力值隨著深度的增加而增大， 3個(gè)鉆孔的σH、σh均隨深度變化成近似線性增長的關(guān)系。

3.3 潘集煤礦外圍勘查區(qū)地應(yīng)力場類型

如圖 7所示，在埋深450m以深，垂直應(yīng)力小于最大水平主應(yīng)力，但大于最小水平主應(yīng)力，地應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為σH>σv>σh； 在埋深1000m以深，垂直應(yīng)力小于水平主應(yīng)力，地應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為σH>σh>σv，由此表明450m以深表現(xiàn)為構(gòu)造應(yīng)力場型，且隨深度增加，構(gòu)造應(yīng)力顯現(xiàn)也增大，這是導(dǎo)致深部井巷圍巖擠壓變形破壞嚴(yán)重現(xiàn)象的主要原因(袁亮， 2006； 劉泉聲等， 2010； 田梅青等， 2012)。

3.4 水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值的分布特征

地應(yīng)力的側(cè)壓系數(shù)反映了水平地應(yīng)力的相對大小和構(gòu)造應(yīng)力的水平，是地下工程設(shè)計(jì)和圍巖穩(wěn)定性分析的基本參數(shù)之一。從表 4的計(jì)算結(jié)果可知：

(1)勘查區(qū)最大水平主應(yīng)力σH與垂直應(yīng)力σv的比值(K1)分布范圍為1.03～1.44，平均比值為1.28，表明研究區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)。

(2)最小水平主應(yīng)力σh與垂直應(yīng)力σv的比值(K2)范圍為0.87～1.16，平均為1.04，兩者比較接近。測試范圍內(nèi)無明顯分布規(guī)律。

(3)最大水平主應(yīng)力σH與最小水平主應(yīng)力σh的比值(K3)在整個(gè)勘查區(qū)基本穩(wěn)定，為1.12～1.53，平均為1.24。

4 結(jié) 論

(1)采用水壓致裂法對淮南煤田潘集煤礦外圍(深部)勘查區(qū)完成了3個(gè)鉆孔、共計(jì)28個(gè)測段的地應(yīng)力現(xiàn)場實(shí)測， 3個(gè)鉆孔深度均超過 1400m，最大測點(diǎn)深度為1460m，這種地應(yīng)力測試深度在煤礦系統(tǒng)尚不多見。

(2)獲得了勘查區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)及其分布規(guī)律。主要表現(xiàn)在： ①地應(yīng)力量級： 466～1460m深度范圍σH值為13.62～54.58MPa，σh值為11.79～37.93MPa； ②最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹EE向； ③實(shí)測地應(yīng)力值表現(xiàn)出隨著深度增加成近似線性增長的關(guān)系； ④σH與σv的比值為1.03～1.44，平均比值為1.28，表明勘查區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)。

(3)在埋深450m以深地應(yīng)力場類型表現(xiàn)為構(gòu)造應(yīng)力場型，且隨深度增加，構(gòu)造應(yīng)力顯現(xiàn)也增大。這是導(dǎo)致深部井巷圍巖變形破壞嚴(yán)重的主要原因。