張 曉

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

小孔徑水壓致裂三維地應力測量及在寺河煤礦應用

張 曉1，2

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

介紹了3個不同方向水壓致裂三維地應力測試原理及在寺河煤礦的具體應用，將寺河煤礦水壓致裂三維地應力測試結果和二維測試結果進行了比較，二者具有較好一致性。測試結果表明：寺河煤礦地應力以水平主應力為主，屬于典型構造應力場類型，最大水平主應力在量值上屬于中等應力值應力場，最大主應力方向為近水平東西向。根據(jù)最大水平主應力方向，建議主要巷道軸線盡可能沿東西向布置，有利于巷道支護及圍巖的穩(wěn)定。

水壓致裂；地應力；三維地應力測量；構造應力場

地應力也即原巖應力是引起礦井采掘活動及其他地下工程變形和破壞的根本驅(qū)動力，地應力場在采掘活動的擾動下產(chǎn)生采動應力場，采動應力場對地下工程圍巖穩(wěn)定起著決定性影響。因此，地應力測量技術是確定工程巖體力學屬性，進行圍巖穩(wěn)定性控制，實現(xiàn)地下工程科學、合理設計的必要技術條件[1-2]。目前地應力測試技術在國內(nèi)外采礦工程中已受到高度重視，其測試結果大大提高了采掘工程活動設計的科學性。在諸多的地應力測量方法中，水壓致裂法對測試環(huán)境的要求比較低，能測量較深處巖體的地應力狀態(tài)，不需要測量巖石的彈性模量,受局部客觀因素的影響相對較小，不需要象應力解除法那樣復雜的套芯工序，測試工作量較小，是最為適合煤礦井下條件的測量方法之一[4]。

傳統(tǒng)水壓致裂法地應力測量通常將測試鉆孔布置在鉛垂方向，設定垂直主應力為鉛垂方向，垂直主應力根據(jù)上覆巖層自重計算，測量垂直于鉆孔軸線平面內(nèi)最大及最小水平主應力。由此，傳統(tǒng)水壓致裂法地應力測量在本質(zhì)上測量的是平面應力，而非三維應力[3]。傳統(tǒng)水壓致裂地應力測量在地形上變化不大，地形切削不嚴重的地域，其測量結果誤差不是很大，但當測試區(qū)域地形變化較大，地形切削嚴重時，垂直主應力方向往往與鉛垂方向偏差較大，測量結果可能嚴重失真[2]，此時采用三維地應力測量結果較為準確。

水壓致裂三維地應力測量方法具體有3種：根據(jù)3個不同方向鉆孔的完整巖體段的壓裂試驗確定測試區(qū)域地應力狀態(tài)；布置1個鉆孔，根據(jù)鉆孔原生裂隙的重張試驗來確定測試區(qū)域地應力狀態(tài)；利用原生裂隙段的重張試驗結合完整巖體段常規(guī)壓裂試驗確定測試區(qū)域地應力狀態(tài)。

以上3種測量方法中后2種測量方法均需要確定原生裂隙面的走向、傾角，均需建立每個結構面坐標系與大地坐標系間的幾何關系。確定裂隙結構的走向及傾角現(xiàn)場實施起來比較困難，測試工作量大，計算過程比較復雜，在此不做介紹。本文采用3個不同方向鉆孔完整巖體常規(guī)壓裂的方法進行三維地應力測量。

1 測量原理

沿不同方向布置3個鉆孔進行水壓致裂三維地應力測量，其基本原理是根據(jù)傳統(tǒng)水壓致裂法測量垂直于鉆孔軸線橫截面上的大、小次主應力σA與σB，根據(jù)相關力學知識建立6個應力分量和σA與σB之間的關系式，先求出6個應力分量，再應用三維應力狀態(tài)的特征方程即可求出3個主應力的大小和方向[4]。

為了便于整理實測數(shù)據(jù)，觀測值方程應力分量均依大地坐標系建立。建立大地坐標系O-XYZ，X軸為水平方向，Z軸為鉛垂向上方向，Y軸根據(jù)右手法則確定。設井下巷道的軸向方位角為β0，設定測量鉆孔編號為i，測量鉆孔傾角為αi，方位角為βi。建立鉆孔坐標系O-XiYiZi：定義軸Zi為鉆孔方向，軸Xi為水平方向；Yi軸根據(jù)右手法則確定。對鉆孔中完整巖體進行一般壓裂試驗即可獲得垂直于鉆孔軸線的截面上的二維應力狀態(tài)，然后通過坐標變換從而得到大地坐標系表達下的常規(guī)壓裂試驗觀測值方程組如下[2]：

(σAi-σBi)cos2Ai=σx[1-(1+sin2αi)cos2(β0-βi)]+σy[1-(1+sin2αi)sin2(β0-βi)]-σzcos2αi-τxy(1+sin2αi)sin2(β0-βi)+[τyzsin(β0-βi)+τzxcos(β0-βi)]sin2αi

(σAi-σBi)sin2Ai=(σx-σy)sinαisin2(β0-βi)-2τxysinαicos2(β0-βi)+2[τxycos(β0-βi)-τzxsin(β0-βi)]cosαi

(1)

式中，Ai和σAi，σBi為第i鉆孔橫截面上水壓致裂破裂縫與Xi的夾角及二維應力的實測值。對每個鉆孔進行二維水壓致裂試驗可得到一組σAi，σBi及Ai。

根據(jù)不同方向3個鉆孔常規(guī)壓裂試驗，可求出大地坐標系下三維地應力狀態(tài)中6個應力分量。

求得地應力狀態(tài)的6個應力分量后，再根據(jù)三維應力狀態(tài)特征方程，即可得到3個主應力的大小及方向。3個主應力大小為[2]：

(2)

3個主應力的傾角αsi和方位角βsi為[2]：

αsi=sin-1Ni

(3)

式中，Mi和Ni為主應力相對大地坐標系Y軸和Z軸的方向余弦：

(4)

至此，三維地應力狀態(tài)中的主應力大小和方向即確定了。

2 現(xiàn)場應用

寺河煤礦隸屬于晉城煤業(yè)集團下屬的特大型現(xiàn)代化礦井，井田受新華夏構造——晉東南山字型構造、太行山隆起帶、斷裂帶的影響，斷層分布多，構造形態(tài)以褶曲為主，地殼構造運動的行跡明顯，地質(zhì)條件較為復雜。礦區(qū)地應力場主要以構造應力為主，且最大水平主應力方向呈現(xiàn)多變性，巷道圍巖破壞受地應力影響特征明顯。為了充分掌握寺河礦區(qū)地應力場特征，提高煤礦采掘工程設計的可靠性、科學性，有效控制圍巖的變形與破壞，本文采用3個不同方向鉆孔水壓常規(guī)壓裂試驗法對寺河礦區(qū)進行三維地應力現(xiàn)場實測。

2.1 測站布置

三維地應力測量測站布置在寺河礦距切眼800 m處的33022回風巷位置。33022回風巷巷道軸線方位角為292°。在同一位置布置3個鉆孔，采用不同方向的三孔常規(guī)壓裂試驗測量三維應力。鉆孔布置如圖1 。每個傾斜鉆孔坐標系下的X軸都取水平并沿巷道軸線方向，巷道軸線方位角β0=292°。鉛垂鉆孔X軸取正北向。

圖1 鉆孔布置

巷道軸線方位角、不同鉆孔傾角、方位角及其他參數(shù)見表1。

2.2 測試儀器及裝置

表1 3個鉆孔的傾角和方位角

本次測試儀器及裝置采用煤炭科學研究總院開采研究分院自主研制的SYY-56型小孔徑水壓致裂地應力測量裝置，該套裝置采用φ56mm的小孔徑鉆孔。該套儀器由注水桿、分隔器、印模器、定位器、手動泵、儲能器、隔爆油泵及數(shù)據(jù)記錄儀等部件組成，該套測試儀器及裝置具有重量輕、體積小、測試性能可靠的特點，非常適合在煤礦井下惡劣環(huán)境條件下進行地應力快速測量工作。

2.3 三維地應力實測結果

水力壓裂試驗中采集的壓力-時間曲線及破裂縫印膜如圖2所示。根據(jù)破裂壓力、重張壓力及關閉壓力，應用傳統(tǒng)水壓致裂法中最大、最小水平主應力計算公式算出各個鉆孔中垂直于鉆孔軸線的截面上大、小次主應力σA，σB[5]。

圖2 鉆孔水壓致裂曲線及印膜

將各鉆孔所測得的垂直于鉆孔軸線的截面上二維應力狀態(tài)σA，σB和鉆孔的傾角、方位角及破裂縫參數(shù)代入式(1)～式(4)得到三維地應力測量結果，見表3。

2.4 三維與二維地應力實測結果比較

為了準確掌握該區(qū)域地應力特征，同時比較水壓致裂二維地應力和三維地應力測量結果的差異，在三維地應力測站附近布置2個測站進行二維地應力測量，并將測量結果進行比較。

表2 3鉆孔完整巖體段壓裂試驗數(shù)據(jù)

表3 三維地應力測量結果

二維地應力測量結果表明：最大水平主應力平均值為17.87MPa；最小水平主應力平均值為9.03MPa；最大水平主應力方向主要集中在N71.2°W～N83.4°W，最大主應力方向近似呈水平東西方向，最小水平主應力方向近南北向。二維測試結果表明寺河礦區(qū)應力場類型為構造應力場，水平主應力占絕對優(yōu)勢。

三維地應力測量試驗結果表明：最大主應力大小為14.53MPa，傾角為19.7°，方位角為281.3°，近似呈近水平東西方向；最小主應力大小為6.40MPa，傾角為12.4°，方位角為188.7°，大致呈近水平南北方向；中間主應力傾角為74.6°，近鉛垂方向(與鉛垂方向誤差小于25°，即可認為近鉛垂方向)，大小為9.8MPa。三維地應力測量結果表明中間主應力與二維測量結果中垂直主應力的估算值大小相差僅為7.5%，一致性較好。三維測試結果表明寺河礦區(qū)應力場為典型的構造應力場，水平主應力也占絕對優(yōu)勢。

寺河礦區(qū)二維和三維測量地應力結果表明：寺河礦區(qū)應力場類型為構造應力場類型，礦區(qū)地應力以最大水平主應力為主；礦區(qū)最大主應力均為水平或近水平東西方向的水平主應力，在量值上大小之差僅為18.6%。中間主應力方向均為鉛垂向或近鉛垂向，最小主應力均為最小水平主應力。由于寺河礦區(qū)地質(zhì)構造復雜，地應力場具有多變形性，不同測試區(qū)域的地應力大小和方向可能有所變化。因此，總體而言，本次水壓致裂地應力二維和三維地應力測量結果在寺河礦區(qū)具有較好的一致性。

3 結 論

(1)本次測試結果表明，寺河礦區(qū)地應力場中最大主應力為水平主應力，中間主應力為垂直主應力，地應力場受構造運動影響明顯，屬于典型的構造應力場類型。應力場量值屬于中等應力場量值。

(2)二維、三維地應力測量結果同時表明：寺河礦區(qū)最大水平主應力大致呈近水平、東西方向，中間主應力方向均為鉛垂方向或近鉛垂方向?？紤]寺河礦區(qū)地質(zhì)構造復雜，地應力場具有多變形性，本次二維和三維測量結果具有較好一致性。一般條件下傳統(tǒng)二維水壓致裂地應力測量也能滿足采掘工程設計的需要。

(3)巷道軸線與最大水平主應力方向平行時，地應力對巷道圍巖的變形與破壞影響最小[7]，因此，建議寺河礦區(qū)主要巷道，尤其是服務期限較長巷道在條件許可情況下，巷道布置最佳方向為其軸線沿東西向布置，有利于巷道支護與圍巖穩(wěn)定。

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[12]張 曉.小孔徑水壓致裂地應力測量技術研究及現(xiàn)場應用[D].北京：煤炭科學研究總院，2004.

[責任編輯：鄒正立]

3-D In-situ Stress Measurement with Small Hole Hydraulic Fracturing and It’s Application in Sihe Coal Mine

ZHANG Xiao1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

It introduced three different directions hydraulic fracturing 3-D in-situ stress measurement principle and it’s application in Sihe coal mine，hydraulic fracturing 3-D in-situ stress measurement results and 2-D measurement results of Sihe coal mine were compared，consistency of two results was better.The results showed that the main in-situ stress of Sihe coal mine is horizontal principal stress，it was typical tectonic stress filed，the value of the maximum horizontal principal stress belong to middle stress value filed，the direction of the maximum horizontal principal stress is nearly horizontal east west.According direction of the maximum horizontal principal stress，roadway should be layout along east west direction，and its benefit for roadway supporting and surrounding rock stability.

hydraulic fracturing；in-situ stress；3-D in-situ stress measurement；tectonic stress filed

2017-04-26

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.003

國家自然科學基金煤炭聯(lián)合基金重點項目(U1261211)

張 曉(1979-)，男，河南駐馬店人，在讀博士生，副研究員，從事地質(zhì)力學測試及巷道礦壓及支護技術研究與推廣工作。

張 曉.小孔徑水壓致裂三維地應力測量及在寺河煤礦應用[J].煤礦開采，2017，22(4)：10-12，31.

TD326

A

1006-6225(2017)04-0010-03