林旭東

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司水文地質(zhì)研究所，陜西省西安市，710054)

水壓致裂地應(yīng)力測試方法隨著石油工業(yè)發(fā)展而產(chǎn)生，后來逐漸發(fā)展成為一種地應(yīng)力測量方法。水壓致裂地應(yīng)力測試方法是迄今為止進(jìn)行深部地應(yīng)力測量最有效的手段。經(jīng)過30多年的發(fā)展，對于一些重大工程的建設(shè)，它已成為一個不可或缺的測試手段，因而引起了世界范圍內(nèi)眾多研究人員和學(xué)者的高度重視，并被廣泛采用。

巖水應(yīng)力關(guān)系理論，是突水預(yù)測的方法之一。該學(xué)說由原煤炭科學(xué)研究總院西安分院于20 世紀(jì)90 年代提出。該學(xué)說認(rèn)為底板突水是巖(底板砂頁巖)、水(底板承壓水)、應(yīng)力(采動應(yīng)力和地應(yīng)力)共同作用的結(jié)果。水壓致裂地應(yīng)力測試法預(yù)測煤礦底板突水是利用巖水應(yīng)力關(guān)系理論，在測試鉆孔中利用高壓水將鉆孔巖石壓裂，測試出地層巖石的破裂壓力，計算出地層最大最小主應(yīng)力，從而對地層的阻水性能進(jìn)行分析評價。水壓致裂地應(yīng)力測試法對于煤礦突水預(yù)測有著重要作用，該方法相對實施簡單，預(yù)測準(zhǔn)確度較高，應(yīng)用范圍廣。

1 水壓致裂地應(yīng)力測試法預(yù)測底板突水原理

在進(jìn)行水壓致裂原位地應(yīng)力測試之前，首先需要作如下一些假定：巖石是均勻脆性和各向同性的線彈性體；巖石為多孔介質(zhì)時注入液體按達(dá)西定律在孔隙中流動；3個主應(yīng)力方向之一與鉆孔軸平行。

地殼中某一點的地應(yīng)力狀態(tài)，一般來說可用3個主應(yīng)力分量SH、Sh和SV來表示，SH、Sh分別代表最大和最小水平主應(yīng)力，SV代表垂直主應(yīng)力。

水壓致裂沿最小主應(yīng)力路徑發(fā)展，即在垂直于最小主應(yīng)力方向的平面內(nèi)發(fā)展，大量試驗結(jié)果表明，無論垂直主應(yīng)力的大小如何，鉆孔壁上面完整巖石的初始水壓裂縫總是垂直的，而且垂直于最小水平主應(yīng)力方向。通過測試數(shù)據(jù)計算地應(yīng)力大小則有兩種可能。

(1)如果一個水平主應(yīng)力是3個主應(yīng)力中最小的一個(Sh=S3，SV=S1或SV=S2)，則起始為垂直裂縫，而延伸也是垂直向裂縫。關(guān)閉水泵后，維持裂縫張開的瞬間閉合壓力Ps就等于垂直破裂面方向的壓應(yīng)力，即最小水平主應(yīng)力：

Sh=Ps

(1)

式中：Ps——瞬間閉合壓力。

在此條件下，垂直主應(yīng)力將根據(jù)上覆巖石的容重進(jìn)行計算，即：

SV=ρH

(2)

式中：ρ——上覆巖層容重；

H——測試段深度。

(2)如果SV是最小主應(yīng)力的話，那么在壓裂過程中初始裂縫是垂直的，這時可得到第一瞬時閉合壓力Ps1；當(dāng)破裂面延伸并過渡到水平裂縫時，則會得到第二瞬時閉合壓力Ps2；顯然Ps1>Ps2，即：

在此條件下，最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力都可以直接在壓力-時間記錄中確定下來。

最大水平主應(yīng)力為：

(5)

式中：Pb——巖石破裂壓力；

Pr——重張壓力；

T——抗張強(qiáng)度。

根據(jù)巖水應(yīng)力關(guān)系理論，采動礦壓使底板隔水層出現(xiàn)一定深度的導(dǎo)水裂隙, 降低了巖體強(qiáng)度, 削弱了隔水性能, 造成了底板滲流場重新分布, 當(dāng)承壓水沿導(dǎo)水破裂進(jìn)一步浸入時, 巖體則因受水軟化而導(dǎo)致裂縫繼續(xù)擴(kuò)展, 直至兩者相互作用的結(jié)果增強(qiáng)到底板巖體的最小主應(yīng)力小于承壓水水壓時, 便產(chǎn)生壓裂擴(kuò)容, 發(fā)生突水。其表達(dá)式為：

(6)

式中：I——突水臨界指數(shù)；

Pw——底板隔水巖體承受的水壓；

z——底板巖體的最小主應(yīng)力。

當(dāng)I<1時不會發(fā)生突水, 反之則發(fā)生突水。該學(xué)說綜合考慮了巖石、水壓及地應(yīng)力的影響, 揭示了突水發(fā)生的動態(tài)機(jī)理。

2 榆樹坡煤礦5#煤層帶壓開采條件

山西寧武榆樹坡煤業(yè)有限公司井田位于寧武縣城東北約2 km處，井田面積15.0247 km2，生產(chǎn)規(guī)模為120萬t/a，主采太原組2#、5#煤層。

榆樹坡煤礦位于寧武煤田的東北端，處于平朔朔南煤炭國家規(guī)劃礦區(qū)西南部，屬于典型的華北型煤田。華北型煤田下組煤開采面臨的最大挑戰(zhàn)是來自煤層底板奧灰含水層的突水威脅。榆樹坡煤礦區(qū)域水文地質(zhì)單元所屬的神頭泉域礦井東部及西部均有大面積碳酸鹽巖出露區(qū)，接受大氣降水補(bǔ)給，礦井位置靠近神頭泉域南部邊界，處在泉域南部地下水補(bǔ)給區(qū)。井田內(nèi)寒武奧陶系石灰?guī)r巖溶發(fā)育，富水性強(qiáng)。

井田內(nèi)，奧灰水位標(biāo)高為+1063～+1070 m，5#煤層底板標(biāo)高為+650～+1200 m，井田內(nèi)5#煤層大部分區(qū)域?qū)儆趲洪_采。煤層距奧灰含水層50 m左右，5#煤層距離奧陶系灰?guī)r隔水層厚度較小，帶壓開采具有一定的危險性。

3 測試方法及測試數(shù)據(jù)

為探查5#煤層底板隔水層的隔水性能，在井下2#煤層井底車場及5#煤層中央水倉附近施工3個水文探查孔，總工程量為420 m。3個鉆孔終孔層位均為奧灰含水層，除了用于水壓致裂測試地應(yīng)力之外，還能夠達(dá)到探查奧灰含水層富水性及分布規(guī)律的目的。測試鉆孔參數(shù)見表1。3個測試鉆孔結(jié)構(gòu)如下。

表1 測試鉆孔參數(shù)表

(1)TS1孔：從2#煤層頂板開孔，開孔為?89 mm取芯鉆進(jìn)至18 m；然后用?168 mm鉆頭擴(kuò)孔，下入孔口管?146 mm，長18 m；繼續(xù)用?89 mm取芯鉆進(jìn)直至134 m，做壓水試驗；再換?130 mm鉆頭擴(kuò)孔，下?108 mm套管至134 m；最后用?89 mm的鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)至184 m。

(2)TS2孔：從5#煤層開孔，開孔為?89 mm取芯鉆進(jìn)至21 m；然后用?191 mm鉆頭擴(kuò)孔，下入孔口管?168 mm，長21 m；繼續(xù)用?89 mm取芯鉆進(jìn)直至53 m，做壓水試驗；再換?146 mm鉆頭擴(kuò)孔，下?127 mm套管至52.5 m；然后用?89 mm的鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)至130 m；最后用?110 mm鉆頭擴(kuò)孔至130 m。

(3)TS3孔：從5#煤層開孔，開孔為?89 mm取芯鉆進(jìn)至21 m；然后用?191 mm鉆頭擴(kuò)孔，下入孔口管?168 mm，長21 m；繼續(xù)用?89 mm取芯鉆進(jìn)直至56 m，做壓水試驗；再換?146 mm鉆頭擴(kuò)孔，下?127 mm套管至56 m；然后用?89 mm的鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)至106 m；最后用?110 mm鉆頭擴(kuò)孔至106 m。

在水壓致裂應(yīng)力測定之前，首先對巖芯進(jìn)行觀察和分析，并選擇比較完整的巖石做為測試孔段。通過對3個測試孔所取出的巖芯完整性和巖性的判別，選取以下5個測試點：①1#測試點：測點中心距TS1號鉆孔孔口向下垂深121.5 m，該段巖性為中砂巖；②2#測試點：測點中心距TS1號鉆孔孔口向下垂深128.5 m，該段巖性為鋁土巖；③3#測試點：測點中心距TS2號鉆孔孔口向下垂深32 m，該段巖性為中砂巖；④4#測試點：測點中心距TS2號鉆孔孔口向下垂深41.5 m，該段巖性為砂質(zhì)泥巖；⑤5#測試點：測點中心距TS3號鉆孔孔口向下垂深31 m，該段巖性為粗砂巖。

5個測試點的現(xiàn)場水壓致裂測試壓力-時間曲線如圖1所示。

4 測試結(jié)果分析

根據(jù)前文介紹，通過現(xiàn)場測試結(jié)果(壓力-時間曲線)可以直接讀出測試點數(shù)據(jù)，見表2。

圖1 各測試點壓力—時間曲線

測點編號巖性巖石破裂壓力Pb/MPa重張壓力Pr/MPa瞬時閉合壓力Ps/MPa1#中砂巖8.17.26.192#鋁土巖8.596.846.193#中砂巖9.265.054.244#砂質(zhì)泥巖6.495.985.05#粗砂巖8.217.034.43

根據(jù)彈性力學(xué)原理可以計算得出測點地應(yīng)力數(shù)據(jù)，見表3。

表3 地應(yīng)力數(shù)據(jù)

注：計算垂向應(yīng)力時巖石容重取2.62 g/cm3

根據(jù)巖水應(yīng)力關(guān)系理論，計算各測試點的突水臨界指數(shù)，見表4。

表4 突水臨界指數(shù)計算表

通過計算可知，突水臨界指數(shù)I均小于1，平均為0.32，說明5#煤層底板隔水層具有較好的隔水能力。

通過本次測試鉆孔及以往探查孔資料分析： 5#煤層底板至奧灰頂面巖層主要包括太原組、本溪組，巖性主要由砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、灰?guī)r和鋁土泥巖及薄煤層組成。其中本溪組砂質(zhì)泥巖隔水層具有良好的隔水性能，為煤層的主要隔水層。

5#煤層底板至奧灰含水層頂板隔水層巖性特征如下：泥巖類巖層平均占隔水層總厚度的36.4%、砂巖類巖層占54.2%、灰?guī)r類巖層占5.6%、其他巖類占3.8%。砂巖等堅硬類巖層的隔水性能相對差，但是抗破壞性能強(qiáng)，主要起到抵抗礦壓、水壓、地應(yīng)力綜合作用對隔水層的破壞，可起到底板關(guān)鍵層作用；泥巖等軟弱類巖層抗破壞能力相對差，但是阻隔水能力強(qiáng)，且受破壞后彌合速度快、彌合度高。

榆樹坡煤礦5#煤層底板隔水層屬于砂泥巖復(fù)合型，既有一定的抗水能力也有一定的隔水能力。通過測試及計算所得的突水臨界指數(shù)平均為0.32，遠(yuǎn)小于1。總體評價榆樹坡煤礦5#煤層底板隔水層隔水性能較強(qiáng)，正常開采情況不會出現(xiàn)底板突水事故。

5 結(jié)論

(1)水壓致裂地應(yīng)力測試法目前仍然是地應(yīng)力測試中普遍應(yīng)用的技術(shù)，其測試方法簡單，測試結(jié)果相對準(zhǔn)確。

(2)煤礦底板突水是地應(yīng)力、采動應(yīng)力與煤層底板承受水壓共同作用的結(jié)果。由原煤炭科學(xué)研究總院西安分院提出的巖水應(yīng)力關(guān)系理論正是利用煤礦底板突水的機(jī)理來預(yù)測煤礦底板突水。已經(jīng)在多個煤礦底板突水預(yù)測中得以應(yīng)用。

(3)榆樹坡煤礦5#煤層屬于帶壓開采，存在底板突水危險。為評價該煤層底板帶壓開采危險性，對榆樹坡煤礦5#煤層底板巖層進(jìn)行水壓致裂地應(yīng)力測試，通過巖水應(yīng)力關(guān)系理論計算突水臨界指數(shù)。通過現(xiàn)場測試、結(jié)果計算及分析，榆樹坡煤礦5#煤層底板突水臨界指數(shù)均低于1，底板隔水層性能良好。