小孔径水压致裂法在沙坪矿地应力测量中的应用

孙健

（山西省晋神能源有限公司，山西 忻州 036500）

准确的掌握井田范围内地应力分布规律对于矿井巷道的布置及支护参数的设计有着重要的意义。为了进一步优化矿井巷道锚杆支护成套技术，沙坪煤矿采用小孔径水压致裂法对13号煤层已掘巷道进行了地应力测量。根据所测得的数据，对浅埋深特厚煤层的地应力分布规律进行分析，对矿井巷道支护设计具有重要意义。

1 矿井概况

沙坪煤矿位于山西省河曲县城东南约32 km处之黄河东岸，郭家庄、官地梁村一带，行政区划隶（分跨）属于河曲县沙坪乡巡镇镇管辖。井田内黄土、基岩梁、峁、台地和冲沟纵横交错，地形比较复杂。可采煤层有8上、8、9、10、11、12、13号煤层。低瓦斯矿井，煤尘具有爆炸性，自燃等级为Ⅱ级。

13号煤层位于太原组二段中下部，煤层底板标高为+721—+843 m，煤层厚度10.32～26.87 m，平均16.84 m，顶板以泥岩为主，局部为砂质泥岩、粉砂岩、砂岩；底板以泥岩为主，局部为炭质泥岩、砂质泥岩。

2 测试原理及设备

2.1 测试原理

采用水压致裂法测量平面应力的前提条件如下。

（1）岩石是均质的线弹性体。

（2）岩石裂隙发育小，成完整性。

（3）测试钻孔的方向为某一水平主应力方向。

由以上假设可将力学分析简化为平面模型来研究，即平面内有且仅有2个垂直主应力作用，如图1所示。

图1 水压致裂应力原理Fig.1 Principle of hydraulic fracturing stress

图1中A、B两点应力计算可由弹性力学基本原理求得，见式（1）。

若水平主应力σ1大于水平主应力σ2，则相对应的A点的应力大于B点的应力，随着钻孔注水压力的增大，当水压大于等于A点或其对称点A’的应力时，孔壁会在此处首先发生破裂，并沿圆孔壁破裂面发育，将此时的水压Pb称为临界破裂压力，临界破裂压力Pb除与2个应力相关，还与岩石抗拉强度T有关，见式（2）。

岩石在地质作用下其内部天然存在有孔隙，当考虑孔隙压力P0时，应采用有效应力进行换算，见式（3）。

封隔器封闭的孔段中，孔壁破裂后，保持压裂系统封闭，在无后续注液增压时，裂隙不再延展，并且在地应力场的作用下对裂隙产生反作用，使得裂隙减小，甚至闭合，在裂隙未闭合时的平衡压力称为瞬时关闭压力PS，与最小水平主应力关系见式（4）。

要使在地应力作用下已闭合的破裂面重新张开，需再次加压，由于岩石已发生破坏，抗拉强度为零，此时水压只需大于对应的水平主应力即可，则压力Pr计算公式为：

地应力测量钻孔现场布置如图2所示。钻孔打好后，对封闭钻孔实施高压注水，直至围岩产生裂隙，裂隙延伸方向与最大应力方向相同。为探究裂隙发育特征，采用印模器注水加压的方式，使印模胶筒外层半硫化橡胶膨胀，压入裂隙中，最终卸压后留在胶筒上的印痕，即为压裂缝及原生裂缝，辅以电子罗盘，对裂隙进行定位。依据上述理论分析，产生裂隙方向即为最大主应力σH方向。

图2 水压致裂地应力测量示意Fig.2 Indication of hydrofracturing stress measurement

2.2 地应力测量指标确定

为方便井下测量工序，提高测量效率，摒弃传统大孔径、速度慢、笨重的设备，结合煤矿井下特点，使用小孔径、高效率、轻便的新型设备进行测量，具体参数为孔径582 mm，孔深≤30 m，水压≤40 MPa，角度最大偏差3°，测点注压时间≤2 h，满足支护及其他技术要求。

3 现场测试

此次测试在沙坪煤矿研究区域已掘巷道中有选择性的布置4组测点，已掘巷道的顶板和两帮各布置2组测点，每个测点布置2个钻孔，其中巷道顶板处测点孔深20 m、孔径为58 mm，垂直顶板向上布置。为使钻孔内部积水流出，巷道两帮测点钻孔水平仰角为3°～5°，为了减小测试误差，4组测点钻孔钻凿结束后都对钻孔内部进行清理。

3.1 测点位置

此次测试测点共4个，测点位置如图3～图4所示。

图3 第一、第二、第三测点位置示意Fig.3 Position indication of the first，second and third measuring points

图4 第四测点位置示意Fig.4 Position indication of the fourth measuring point

第一、第二测站位于下水平回风大巷（沿13号煤顶板掘进），距巷口1 100 m、1 450 m处。巷道为矩形断面，锚网索+钢筋梯子梁联合支护，巷道断面宽6.0 m，测站钻孔开孔处距离巷道底板高4.7 m，测站处埋深分别为193.4 m、163.3 m。

第三测站位于下水平辅运大巷（沿13号煤底板掘进），距正掘巷口50 m处。

第四测点位于1812回风顺槽处主回撤通道中，巷道沿煤层8号底板布置，宽5.0 m，高3.7 m，矩形断面，采用锚杆+锚索+铁丝网联合支护，测点处埋深125.5 m。

3.2 地应力测试

各个测点应力测试结果见表1。

表1 沙坪煤矿水压致裂地应力测量结果Table 1 In-situ stress measurement results of hydraulic fracturing in Shaping Coal Mine

第一测点地应力测试结果（巷道高度4.7 m，距孔口14.0 m）如图5～图6所示。

图5 第一测点水力压裂曲线Fig.5 Hydraulic fracturing curve of the first measuring point

图6 第一测点最大水平主应力定向结果（北偏西43.8°）Fig.6 Directional results of maximum horizontal principal stress at the first measuring point(43.8°north-west)

第一测点测的数据经处理计算可得，破裂压力Pb、重张压力Pr、瞬时关闭压力Ps分别为4.04、3.57、3.16 MPa。

测点处底板埋深约193.4 m，巷道高4.7 m，测试段较孔口高14.0 m，可知测试段埋深约为147.7 m，依据公式（4）可得最小水平主应力σh、最大水平主应力σH、垂直主应力σv大小分别为2.97、5.54、4.37 MPa。

第二测点地应力测试结果（巷道高度4.7 m，距孔口15.0 m）如图7～图8所示。

图7 第二测点水力压裂曲线Fig.7 Hydraulic fracturing curve of the second measuring point

图8 第二测点最大水平主应力定向结果（北偏西35.2°）Fig.8 Directional results of maximum horizontal principal stress at the second measuring point(35.2°north-west)

第二测点测的数据经处理计算可得，破裂压力Pb、重张压力Pr、瞬时关闭压力Ps分别为13.27、4.57、3.65 MPa。

测点处底板埋深约163.3 m，巷道高4.7 m，测试段较孔口高15.0 m，可知测试段埋深约为143.6 m，依据公式（4）可得最小水平主应力σh、最大水平主应力σH、垂直主应力σv大小分别为3.45、5.99、3.59 MPa。

第三测点地应力测试结果（巷道高度4.7 m，距孔口19.0 m）如图9～图10所示。

图1 0 第三测点最大水平主应力定向结果（北偏西1 1.9°）Fig.10 Directional results of maximum horizontal principal stress at the third measuring point(11.9°north-west)

图9 第三测点水力压裂曲线Fig.9 Hydraulic fracturing curve of the third measuring point

第三测点测的数据经处理计算可得，破裂压力Pb、重张压力Pr、瞬时关闭压力Ps分别为6.64、5.81、5.32 MPa。

测点处底板埋深约198.0 m，巷道高4.7 m，测试段较孔口高19.0 m，可知测试段埋深约为174.3 m，依据公式（4）可得最小水平主应力σh、最大水平主应力σH、垂直主应力σv大小分别为5.08、9.68、4.36 MPa。

第四测点地应力测试结果（巷道高度3.7 m，距孔口14.0 m）如图11～图12所示。

图1 2第四测点最大水平主应力定向结果（北偏西1 2.8°）Fig.12 Directional results of maximum horizontal principal stress at the fourth measuring point(12.8°north-west)

图1 1 第四测点水力压裂曲线Fig.11 Hydraulic fracturing curve of the fourth measuring point

第四测点测的数据经处理计算可得，破裂压力Pb、重张压力Pr、瞬时关闭压力Ps分别为6.14、3.48、3.16 MPa。

测点处底板埋深约125.5 m，巷道高3.7 m，测试段较孔口高14.0 m，可知测试段埋深约为107.8 m，依据公式（4）可得最小水平主应力σh、最大水平主应力σH、垂直主应力σv大小分别为2.98、5.65、2.70 MPa。

4 结 论

（1）通过印模装置得到岩石压裂裂缝的印模，可真实反映裂隙发育状态，压裂曲线也反映出不同水压对裂隙影响，数据真实可靠。

（2）依据对所测区域13号煤第一、第二、第三测点和8号煤第四测点最小水平主应力、最大水平主应力、垂直应力分析，参考相关评判标准可知，应力均小于10 MPa，测试区域应力场属于低应力值区域。

（3）四组测点均以最大水平主应力为主，其中第一、第二测点最小水平主应力为最小主应力，所测区域应力场类型为型应力场；第三、第四测点垂直应力为最小主应力，所测区域应力场类型为型应力场。

（4）4组测点最大水平主应力方向分别为N43.8°W、N35.2°W、N11.9°W和N12.8°W，为NNW—NW方向，方向一致性较好。