馬雪鵬

（晉城集團寺河煤礦 生產(chǎn)技術管理部，山西 晉城048204）

1 前言

某礦井田面積約230 km2，南北走向約12 km，東西傾斜約23 km，全井田可采煤層分為3#、9#、15#三層煤層，總厚度10.32 m。伴隨煤礦開采的深度、廣度向更大范圍發(fā)展，礦山巖體的應力環(huán)和破壞特性都有了較大變化，因此，對圍巖體進行地應力測試研究，意義重大。

為給煤礦生產(chǎn)提供力學保障，并為即將開拓的15#煤巷道錨桿支護設計提供科學可靠的地質(zhì)力學基礎數(shù)據(jù)，有必要對礦區(qū)15#煤進行系統(tǒng)的地應力測試實驗，以便補充礦井地質(zhì)力學數(shù)據(jù)資料，同時為盤區(qū)工作面的支護設計、巷道維護等提供基礎技術參數(shù)，進而使礦井生產(chǎn)、建設更加合理和安全。

2 地應力測量研究

2.1 地應力測試原理

對于平面應力測量，水壓致裂法有三個基本假設條件：(1) 巖石呈線彈性，同時各個方向同性；(2) 巖石的主應力中，有一個主方向和鉆孔軸平行；(3) 巖體是完整的，具有非滲透性。所以，水壓致裂法的力學模型，可以看作是一個平面力學問題，類似于相互垂直的兩個水平應力σ1、σ2，同時作用于一個帶圓孔的無限大的平面之上。依據(jù)彈性力學，通過計算，圓孔孔壁相互垂直的M、N 兩點的應力(見圖1)為

如果σ1＞σ2，那么σM＜σN，故當在圓孔內(nèi)液壓大于圍巖的承壓時，將在最小切向應力上，產(chǎn)生張破裂。同時，沿垂直于最小壓應力方向，破裂將繼續(xù)延伸。通常，我們將使孔壁產(chǎn)生破裂的外加液壓Pb稱為臨界破裂壓力[1]，孔壁破裂處的應力集中加上巖石的抗拉強度T，等于臨界破裂壓力[2]，即為

圖1 水壓致裂-應力示意圖

如果考慮巖石體的孔隙壓力P0，上式即為

式中 σh——最小水平主應力

σH——最大水平主應力

若孔壁在實際測量中破裂，如果繼續(xù)對封閉的孔段注液增壓，那么被封隔器封閉的孔段將出現(xiàn)裂隙并擴展向縱深處； 如果立即封閉裂壓系統(tǒng)并停止注壓，那么裂隙將不會延伸，并在地應力場的作用下趨向閉合。裂隙張開時的平衡壓力稱為瞬時關閉壓力PS，與垂直裂隙面的最小水平主應力是相等的，即為

用式（3）減去（5），即可實時獲取抗張強度值T

進而求得最大水平主應力σH

垂直方向應力依據(jù)上覆巖石的體量進行計算,即

式中 PS——封閉壓力，MPa

Pr——重張壓力，MPa

P0——靜水壓力，MPa

Pb——破裂壓力，MPa

h——測點到讀數(shù)儀的垂直距離，m

γw——水的容重，kN/m3

H——埋深，m

γ——上覆巖層容重，kN/m3

圖2 水壓致裂法——地應力測量過程示意圖

地應力測驗工作是基于巷道圍巖鉆孔開展的(如圖2所示)。首先，用注水管將兩個橡膠封隔器推送至指定地方，進而高壓注水，使封隔器漲起來，然后將封隔器巖孔關閉。往巖孔注入高壓水，直至巖壁碎裂，最大水平應力方向就是壓裂的方向。在壓裂后進行印模步驟，當注水膨脹壓力達到一定級別之后，將印痕留在膠筒上，即獲取到壓裂縫和原生裂縫位置，進而獲得最大主應力σH方位。

依據(jù)上述原理，通過實測及對應業(yè)內(nèi)計算工作，即可獲得測站點的原巖應力場中的最大水平應力的方位、數(shù)值等參數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理與研究分析

從水壓過程中，通過各回次的壓力-時間曲線，求得瞬時關閉壓力PS、破裂壓力Pb以及重張壓力Pr，進而計算出巖石抗張強度T、最大水平主應力σH、最小水平主應力σh等參數(shù)。圖3所示為一條標準壓裂曲線的各個參數(shù)值選取方法。

圖3 應力測量—水壓致裂法—各壓力參數(shù)值的選擇

3 現(xiàn)場測試

為了對某礦圍巖地質(zhì)力學狀況做全面了解，課題組成員與礦方領導研究決定，在煤礦已掘巷道中的特征位置布設兩個測站。為保證測試結(jié)果代表性與準確性，選站時應避開較大地質(zhì)構(gòu)造帶；測站位置頂板應較完整；巷道高、寬應滿足打鉆要求;通風、水、電系統(tǒng)要求完整。兩個測站布置四個測孔，鉆孔直徑為58mm。頂孔深度約為25 m，且垂直布設；幫孔的深度約為11m，與水平方向有2°～3°夾角，以方便排水，減少水的濕潤效果對煤巖強度造成影響，進而影響研究成果。

3.1 測站位置

根據(jù)現(xiàn)場條件和實際應用需求，確定在已掘巷道中有選擇性地選取三個測站。第一測站位于南翼膠帶大巷4#鉆場內(nèi)，鉆場斷面呈矩形，錨網(wǎng)噴支護，實際巷高4.8m，鉆場斷面寬5.2m，測站處埋深362m。第二測站位于南翼膠帶大巷6#鉆場內(nèi)，錨網(wǎng)噴支護，鉆場斷面寬5.4m，實際巷高5.1m，測站處埋深364m，鉆場斷面呈矩形。第三測站位于南翼輔運大巷1#鉆場內(nèi)，錨噴支護，實際巷高5.3 m，鉆場斷面寬5.5m，測站處埋深349m，鉆場斷面呈矩形。具體位置如圖4所示。

3.2 地應力測試

對頂板結(jié)構(gòu)進行觀測研究后，就可以進行地應力測量段標定工作，對各個測量段進行依次壓裂，并對壓力和時間進行實時數(shù)據(jù)采集與獲取，得到水壓裂曲線圖。結(jié)合前述公式，可依次獲得：垂直應力、最大水平主應力、最小水平主應力值等數(shù)據(jù)。通過引入指南針方向同基線角度值，壓裂裂縫與印模基線所夾角度值，經(jīng)過計算分析，獲取各應力方向數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5所示。

圖4 地質(zhì)力學測試站點位置展示圖

圖5 第一測站 水壓致裂曲線

第一測站數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件綜合分析計算可以獲得：

重張壓力值Pr=6.50MPa

破裂壓力值Pb=11.15MPa

瞬時關閉壓力值PS=5.34MPa

測站處巷道高度4.8m，測試段距孔口15.3m，測站位置的巷道底板深度大約為363m，測試段埋深大概為343m。根據(jù)埋深，并綜合計算分析得出：

垂直方向主應力值σv=8.55MPa

最大水平主應力值σH=9.12MPa

最小水平主應力值σh=5.14MPa

第二測站數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件綜合分析計算可以獲得：

破裂壓力值Pb=10.49MPa

瞬時關閉壓力值Ps=5.87MPa

重張壓力值Pr=7.66MPa

測站處巷道高度5.1m，測試段距孔口18.0 m，測站位置巷道底板深度為365m，測試段深度大概為342m，根據(jù)埋深以及前述公式，可以計算得出：

圖6 第一測站定向結(jié)果分析圖（最大水平方向主應力為NW35.7°）

垂直方向主應力值σv=8.52MPa

最大水平主應力值σH=9.49MPa

最小水平主應力值σh=5.64MPa

第三測站數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件綜合分析計算可以獲得：

瞬時關閉壓力值Ps=7.70MPa

破裂壓力值Pb=11.36MPa

重張壓力值Pr=9.12MPa

測站處巷道高度5.1m，測試段距孔口18.0m，測站位置巷道底板深度為365m，測試段深度大概為324m，根據(jù)埋深以及前述公式，可以計算得出：

圖7 第二測站水力壓裂曲線圖

圖8 第二測站定向結(jié)果示意圖（最大水平主應力方向為NW23.9°）

垂直方向主應力值σv=8.08MPa

最大水平主應力值σH=13.47MPa

最小水平主應力值σh=7.44MPa

4 結(jié)論

通過對三個測站點的地應力測量值綜合分析，可以得到以下結(jié)果。

（1）某礦三測站區(qū)域的最大水平應力值：最大為13.57 MPa，最小為9.22 MPa；最小水平主應力最大值為7.54 MPa，最小值為5.24 MPa；垂直方向主應力最大值為8.65 MPa，最小值為8.06 MPa。依據(jù)量級劃分原則，某礦所測區(qū)域地應力為中低地應力。

圖9 第三測站水力壓裂曲線

圖10 第三測站定向結(jié)果示意圖（最大水平主應力方向：NW-34.6°）

（2）由于第一、第二測站所處巷道層位處于15#煤下方，測試時已經(jīng)對15#煤進行了瓦斯預抽，通過測試鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)觀測可知，由于施工瓦斯預抽孔和瓦斯預抽原因，15# 煤局部存在非常明顯的空洞區(qū)域，很大程度上對于上部應力起到了釋放作用，致使第一和第二測站最大和最小水平主應力值明顯低于第三測站。

（3）某礦所測測站最大水平主應力方向分別為N35.7°W、N23.9°W 和N34.6°W。由于測試范圍相對較小，所測測站最大水平主應力方向均為NW 方向，一致性相對較好。