陳　晨，朱希安，王占剛

(北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京　100101)

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·試驗(yàn)研究·

沁水盆地南部地區(qū)的地應(yīng)力分布規(guī)律研究

陳晨，朱希安，王占剛

(北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京100101)

為了研究礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律，在沁水盆地南部柿莊北地區(qū)的16個(gè)煤礦采用水壓致裂法完成了22個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)量工作。在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析了地應(yīng)力隨埋深變化的分布規(guī)律、最大水平主應(yīng)力與垂向主應(yīng)力的比值隨深度變化的關(guān)系。研究表明，該礦區(qū)總體上屬于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，并且應(yīng)力值屬于高等應(yīng)力值。地應(yīng)力應(yīng)用于煤礦的測(cè)量為煤和瓦斯突出的研究以及油氣田穩(wěn)定性提供理論基礎(chǔ)。

水壓致裂法；地應(yīng)力測(cè)量；分布規(guī)律；埋深

初始地應(yīng)力場(chǎng)是地質(zhì)工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)資料，它不僅決定油田油井的穩(wěn)定性，而且會(huì)對(duì)礦山設(shè)計(jì)和施工造成直接的影響。隨著煤礦地下工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，埋藏深度不斷增加，地應(yīng)力的作用越來越關(guān)鍵，工程區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)分布特征一直是煤礦開采的重要研究課題[1].因此，地應(yīng)力在煤礦井下的測(cè)量與分析對(duì)石油的勘探和礦山設(shè)計(jì)具有非常重要的作用。

地應(yīng)力場(chǎng)主要以自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主。自重應(yīng)力場(chǎng)由巖體重力引起，計(jì)算比較簡(jiǎn)單，可用上覆巖層的密度與埋深估算。導(dǎo)致構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的地應(yīng)力場(chǎng)稱為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響因素眾多，包括巖性、地形、板塊邊界受壓、地幔熱對(duì)流、巖漿侵入、溫度分布不均、地表剝蝕作用等,而且構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)屬于隨空間和時(shí)間變化的非穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng),只能判斷、測(cè)試，不能計(jì)算得出，至今還很難用比較確切的表達(dá)式描述構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分布與變化規(guī)律。最可靠的方法是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，然后對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究地應(yīng)力分布規(guī)律，用來指導(dǎo)實(shí)踐[2].

1　測(cè)量方法

1.1測(cè)試方法選擇

目前，比較典型的地應(yīng)力測(cè)量方法有：應(yīng)力解除法、應(yīng)力恢復(fù)法、聲發(fā)射法和水壓致裂法。其中，水壓致裂法和應(yīng)力解除法在工程應(yīng)用中使用最為廣泛。應(yīng)力解除法在煤礦井下的使用局限大且需要復(fù)雜的套孔工序，因而測(cè)量的精度很難得到保障。而水壓致裂法的要求簡(jiǎn)單寬松，可以在未知巖石的力學(xué)參數(shù)情況下就能獲得地應(yīng)力的多種參量，具有易操作、可在任意深度連續(xù)測(cè)試、量速快、測(cè)值準(zhǔn)確、花費(fèi)少等優(yōu)點(diǎn)，近年來倍受關(guān)注[3].因此，采用水壓致裂法對(duì)沁水盆地南部柿莊北地區(qū)測(cè)量地應(yīng)力符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

1.2測(cè)量原理

水壓致裂法[4]測(cè)量地應(yīng)力的基本過程：首先在鉆孔內(nèi)封隔出一段作為測(cè)試段，再將高壓液體泵入測(cè)試段加壓，使周圍巖土遭到破壞產(chǎn)生誘發(fā)裂縫并擴(kuò)展，同時(shí)記錄壓力隨時(shí)間的變化曲線；然后讀取分析變化曲線，得到3個(gè)壓裂特征參數(shù)(破裂壓力Pb、裂縫重張壓力Pr、閉合壓力Ps)，再根據(jù)理論公式計(jì)算得到測(cè)試段的主應(yīng)力值。

(1)

(2)

(3)

式中：

σh,σH,σV—分別為最小水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力、垂直主應(yīng)力，MPa；

Ps—裂縫閉合壓力，MPa；

Pr—裂縫重張壓力，MPa；

P0—地層壓力，MPa；

γ—上覆巖層的體積密度，g/cm3；

H—上覆巖層的深度，m.

準(zhǔn)確讀取3個(gè)壓裂特征參數(shù)值能夠提高地應(yīng)力的測(cè)量精度以及地應(yīng)力測(cè)值結(jié)果的可靠性[5].在壓裂曲線的3個(gè)參數(shù)中，讀取Ps的值最重要，因?yàn)樽钚∷街鲬?yīng)力等于閉合壓力，Ps造成的誤差等于最小水平主應(yīng)力的誤差，同時(shí)使最大水平主應(yīng)力的誤差增大3倍，一般采用拐點(diǎn)法判讀閉合壓力能夠提高水壓致裂測(cè)量地應(yīng)力的精度。根據(jù)上述原理就可以測(cè)量和計(jì)算得到最小水平主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力。

1.3地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

柿莊北地區(qū)二疊系山西組的3號(hào)煤層，分布廣泛，資源豐富，厚度穩(wěn)定，是深部煤層氣勘探的主要目的層，本文主要根據(jù)3號(hào)煤層進(jìn)行研究。根據(jù)測(cè)井、錄井資料，研究區(qū)3號(hào)煤層平均厚度為6.10 m，煤層直接頂、底板均為泥巖，平均厚度分別為1.05 m、1.00 m.通過取芯觀察，煤層及其直接頂、底板垂直裂縫發(fā)育。

為了深入準(zhǔn)確地反映柿莊北礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的特征，需要更多測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造綜合分析，因此，在柿莊北地區(qū)布置了22個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)3號(hào)煤層進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，研究礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律。

2　礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律

對(duì)由水壓致裂法獲得的22個(gè)礦區(qū)測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，地應(yīng)力在礦區(qū)的測(cè)試結(jié)果呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

2.1整體主應(yīng)力隨深度變化的分布規(guī)律

從測(cè)量結(jié)果來看，測(cè)點(diǎn)埋深集中在700～1 400 m，地應(yīng)力隨深度變化的曲線見圖1.從圖1可知，除個(gè)別點(diǎn)外，垂向主應(yīng)力幾乎隨深度呈線性增加，最大、最小水平主應(yīng)力整體上均隨深度增加而增大，但由于受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用，導(dǎo)致最大和最小水平主應(yīng)力的量值出現(xiàn)離散性，分布規(guī)律不是很明顯，很難用確切的函數(shù)表達(dá)式描述分布特征，這正是地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、影響因素眾多的柿莊北礦區(qū)地應(yīng)力的分布特征。

圖1　地應(yīng)力與深度的關(guān)系曲線圖

在礦區(qū)所有測(cè)點(diǎn)中，埋深最淺的為738 m，最深的為1 348 m.埋深在700～1 000 m的測(cè)點(diǎn)有16個(gè)，其中僅有4個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力小于垂直主應(yīng)力，其余測(cè)點(diǎn)均大于垂直主應(yīng)力，占75%；埋深在1 000～1 400 m的測(cè)量點(diǎn)有6個(gè)，其中最大水平主應(yīng)力小于垂直主應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)有2個(gè)，而大于垂直主應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)有4個(gè)，占67%.

在16個(gè)700～1 000 m測(cè)點(diǎn)中只有2個(gè)測(cè)點(diǎn)的最小水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力，其余均小于垂向主應(yīng)力，占87.5%；而在6個(gè)1 000～1 400 m的測(cè)點(diǎn)中，全部測(cè)點(diǎn)的最小水平主應(yīng)力均小于垂直主應(yīng)力。

綜上可知，埋深在700～1 000 m時(shí)，最大、最小水平主應(yīng)力隨深度增加而增大的速度較快，而埋深在1 000～1 400 m時(shí)，最大、最小水平主應(yīng)力隨深度增加而增大的速度有減緩的趨勢(shì)。在較淺的煤礦中，垂向主應(yīng)力增加速度要小于最大水平應(yīng)力的增加速度；在相對(duì)較深的煤礦中，最大水平應(yīng)力的增加速度小于垂向主應(yīng)力的，埋深達(dá)到一定值時(shí)，最大水平主應(yīng)力的值逐漸接近于垂直主應(yīng)力。

2.2應(yīng)力值隨深度變化規(guī)律

分析22個(gè)測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力值表明，礦區(qū)最大、最小水平主應(yīng)力以及垂向主應(yīng)力均與深度呈正相關(guān)關(guān)系，因此，可以用最小二乘法線性擬合進(jìn)行回歸分析[6].地應(yīng)力的值與深度的線性關(guān)系式為：

σH=0.027 9H+1.865 3,MPa(R2=0.633 5)

σh=0.019 8H+0.563 8,MPa(R2=0.688 9)

σV=0.025 4H+0.506 0,MPa(R2=0.999 7)

式中：

H—深度，m.

由圖1可以看出，礦區(qū)的垂向應(yīng)力與埋深呈線性關(guān)系，而回歸式中存在量值較小的常數(shù)項(xiàng)，可能是受到地形和局部斷層影響造成的。最大、最小水平主應(yīng)力值基本上隨著埋深增加而增大，由于受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，水平應(yīng)力值離散性很大，規(guī)律性不夠明顯；σH及σh的回歸式中均出現(xiàn)一定量值的常數(shù)項(xiàng)，可能是地形和水平地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力共同影響的結(jié)果。

2.3最大水平與垂直主應(yīng)力比值隨深度變化規(guī)律

用最大水平主應(yīng)力與垂向主應(yīng)力的比值作為衡量地應(yīng)力的變化趨勢(shì)的指標(biāo)更具有客觀性，這個(gè)指標(biāo)就是側(cè)壓比k，即k=σH/σV.參照布朗-霍克世界范圍內(nèi)地應(yīng)力分布規(guī)律的研究成果，并且回歸分析柿莊北礦區(qū)的側(cè)壓比隨深度的變化規(guī)律，結(jié)果見圖2.

圖2　地應(yīng)力側(cè)壓比與埋深的關(guān)系示意圖

由圖2可知，埋深在700～1 000 m時(shí)，16個(gè)測(cè)點(diǎn)中有12個(gè)測(cè)點(diǎn)側(cè)壓比大于1，其余4個(gè)測(cè)點(diǎn)的側(cè)壓比小于1；埋深在1 000～1 400 m時(shí)，6個(gè)測(cè)點(diǎn)中有4個(gè)測(cè)點(diǎn)側(cè)壓比大于1，剩余2個(gè)測(cè)點(diǎn)的側(cè)壓比小于1.側(cè)壓比總體上隨深度增加而減小，但當(dāng)達(dá)到某個(gè)深度時(shí)，側(cè)壓比逐漸趨于一個(gè)定值，這符合一般地應(yīng)力場(chǎng)規(guī)律。通過研究側(cè)壓系數(shù)隨深度的變化關(guān)系，可以更好地估測(cè)礦區(qū)臨界深度的大概范圍，對(duì)于礦井向更深部的開采延伸具有重要意義[7].

2.4最大水平與最小水平主應(yīng)力比值分布規(guī)律

在柿莊北礦區(qū)的22個(gè)測(cè)點(diǎn)中，最大與最小水平主應(yīng)力比值即σH/σh最大為1.83，最小為1.01，平均值為1.43，最小水平主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力之間的差值比較大，造成這種現(xiàn)象的原因可能是受地形、巖石特性等因素的影響。

2.5礦區(qū)應(yīng)力量級(jí)的判斷

根據(jù)知名教授于學(xué)馥提出來的判斷標(biāo)準(zhǔn)：18～30 MPa認(rèn)為是高應(yīng)力區(qū)，低于10 MPa認(rèn)為是低應(yīng)力區(qū)，介于兩者之間的為中等應(yīng)力區(qū)，超過30 MPa屬于超高應(yīng)力區(qū)[8].柿莊北礦區(qū)22個(gè)測(cè)點(diǎn)中，最大水平主應(yīng)力全部超過10 MPa，1個(gè)介于10～18 MPa，12個(gè)介于18～30 MPa，9個(gè)超過30 MPa.因此，可以判斷柿莊北地區(qū)整體上屬于高應(yīng)力礦區(qū)，局部地區(qū)屬于超高應(yīng)力區(qū)。

2.6礦區(qū)應(yīng)力場(chǎng)類別的判斷

在柿莊北地區(qū)22個(gè)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果表明，柿莊北礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)有2種:σHV型和σVH型。在22個(gè)測(cè)點(diǎn)中，其中有16個(gè)測(cè)點(diǎn)σH/σV>1，占72.7%，6個(gè)測(cè)點(diǎn)σH/σV<1，占27.3%.由此可見，柿莊北礦區(qū)總體上屬于σHV型應(yīng)力場(chǎng)，水平應(yīng)力占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，說明柿莊北礦區(qū)以構(gòu)造應(yīng)力為主，屬于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

3　結(jié)　論

通過水壓致裂法對(duì)柿莊北礦區(qū)的地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量并分析比較，該礦區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)具有如下規(guī)律：

1) 柿莊北礦區(qū)的地應(yīng)力總體上隨埋深增大而增大，垂直主應(yīng)力與埋深線性關(guān)系良好，最小和最大水平主應(yīng)力整體上隨深度增大而增大，但由于受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用，導(dǎo)致最大和最小水平主應(yīng)力的量值出現(xiàn)離散性。

2) 在相對(duì)較淺的煤礦礦井中，水平應(yīng)力的增加速度大于垂向主應(yīng)力增加速度；在深度相對(duì)較大的煤礦礦井中，垂向主應(yīng)力的增加速度要大于水平應(yīng)力的增加速度，且隨著埋深的增加，最大水平主應(yīng)力逐漸趨于接近垂直主應(yīng)力。

3) 柿莊北礦區(qū)整體上屬于高應(yīng)力區(qū)，局部地區(qū)屬于超高應(yīng)力區(qū)，而且由于受到地形、地質(zhì)構(gòu)造的影響，導(dǎo)致最大與最小水平主應(yīng)力之間的差值比較大。

4) 柿莊北礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)基本上屬于σHV型應(yīng)力場(chǎng)，水平應(yīng)力占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，以構(gòu)造應(yīng)力為主，屬于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

[1]李建博,楊保全,王殿春.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與有限元法相結(jié)合的初始地應(yīng)力場(chǎng)反演分析[J].北華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012(3):369-372.

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[8]王穎軼,李科,黃醒春.基于地應(yīng)力實(shí)測(cè)值的斷層構(gòu)造區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)有限元回歸反演分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2013(9):1399-1403.

Study of In-situ Stress Distribution Law in Southern Qinshui Basin

CHEN Chen, ZHU Xi'an, WANG Zhan'gang

In order to research distribution law of in-situ stress in mining area, the hydraulic fracturing method are adopted in sixteen coal mines of the southern Qinshui basin Shizhuang north area to complete the in-situ stress measurements of twenty-two points. Analyzes the distribution rule of in-situ stress changing with depth, the relationship of maximum horizontal principal stress to vertical principal stress ratio with depth changing on the basis of measured data. The results show that the mining area is a part of the tectonic stress field and the stress value belongs to the higher stress value. In-situ stress is applied to the measurement of coal mine which provides theoretical foundation for the research of coal and gas outburst and stability of oil and gas field.

Hydraulic fracturing method；In-situ stress measurement; Distribution law; Burial depth

國(guó)家“十二五”重大專項(xiàng)(2011ZX05042-003-002)：CO2注入后的運(yùn)移監(jiān)測(cè)和安全技術(shù)研究；人才培養(yǎng)項(xiàng)目-引領(lǐng)學(xué)科(5111524100)

2015-12-19

陳晨(1990—)，女，安徽宿州人，2016年畢業(yè)于北京信息科技大學(xué)，碩士研究生，主要從事地應(yīng)力方面的研究(E-mail)526196597@qq.com

TD311

A

1672-0652(2016)03-0043-04