孫健

（山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036500）

準(zhǔn)確的掌握井田范圍內(nèi)地應(yīng)力分布規(guī)律對于礦井巷道的布置及支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)有著重要的意義。為了進(jìn)一步優(yōu)化礦井巷道錨桿支護(hù)成套技術(shù)，沙坪煤礦采用小孔徑水壓致裂法對13號煤層已掘巷道進(jìn)行了地應(yīng)力測量。根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)，對淺埋深特厚煤層的地應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析，對礦井巷道支護(hù)設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 礦井概況

沙坪煤礦位于山西省河曲縣城東南約32 km處之黃河?xùn)|岸，郭家莊、官地梁村一帶，行政區(qū)劃隸（分跨）屬于河曲縣沙坪鄉(xiāng)巡鎮(zhèn)鎮(zhèn)管轄。井田內(nèi)黃土、基巖梁、峁、臺地和沖溝縱橫交錯(cuò)，地形比較復(fù)雜。可采煤層有8上、8、9、10、11、12、13號煤層。低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性，自燃等級為Ⅱ級。

13號煤層位于太原組二段中下部，煤層底板標(biāo)高為+721—+843 m，煤層厚度10.32～26.87 m，平均16.84 m，頂板以泥巖為主，局部為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖；底板以泥巖為主，局部為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖。

2 測試原理及設(shè)備

2.1 測試原理

采用水壓致裂法測量平面應(yīng)力的前提條件如下。

（1）巖石是均質(zhì)的線彈性體。

（2）巖石裂隙發(fā)育小，成完整性。

（3）測試鉆孔的方向?yàn)槟骋凰街鲬?yīng)力方向。

由以上假設(shè)可將力學(xué)分析簡化為平面模型來研究，即平面內(nèi)有且僅有2個(gè)垂直主應(yīng)力作用，如圖1所示。

圖1 水壓致裂應(yīng)力原理Fig.1 Principle of hydraulic fracturing stress

圖1中A、B兩點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算可由彈性力學(xué)基本原理求得，見式（1）。

若水平主應(yīng)力σ1大于水平主應(yīng)力σ2，則相對應(yīng)的A點(diǎn)的應(yīng)力大于B點(diǎn)的應(yīng)力，隨著鉆孔注水壓力的增大，當(dāng)水壓大于等于A點(diǎn)或其對稱點(diǎn)A’的應(yīng)力時(shí)，孔壁會在此處首先發(fā)生破裂，并沿圓孔壁破裂面發(fā)育，將此時(shí)的水壓Pb稱為臨界破裂壓力，臨界破裂壓力Pb除與2個(gè)應(yīng)力相關(guān)，還與巖石抗拉強(qiáng)度T有關(guān)，見式（2）。

巖石在地質(zhì)作用下其內(nèi)部天然存在有孔隙，當(dāng)考慮孔隙壓力P0時(shí)，應(yīng)采用有效應(yīng)力進(jìn)行換算，見式（3）。

封隔器封閉的孔段中，孔壁破裂后，保持壓裂系統(tǒng)封閉，在無后續(xù)注液增壓時(shí)，裂隙不再延展，并且在地應(yīng)力場的作用下對裂隙產(chǎn)生反作用，使得裂隙減小，甚至閉合，在裂隙未閉合時(shí)的平衡壓力稱為瞬時(shí)關(guān)閉壓力PS，與最小水平主應(yīng)力關(guān)系見式（4）。

要使在地應(yīng)力作用下已閉合的破裂面重新張開，需再次加壓，由于巖石已發(fā)生破壞，抗拉強(qiáng)度為零，此時(shí)水壓只需大于對應(yīng)的水平主應(yīng)力即可，則壓力Pr計(jì)算公式為：

地應(yīng)力測量鉆孔現(xiàn)場布置如圖2所示。鉆孔打好后，對封閉鉆孔實(shí)施高壓注水，直至圍巖產(chǎn)生裂隙，裂隙延伸方向與最大應(yīng)力方向相同。為探究裂隙發(fā)育特征，采用印模器注水加壓的方式，使印模膠筒外層半硫化橡膠膨脹，壓入裂隙中，最終卸壓后留在膠筒上的印痕，即為壓裂縫及原生裂縫，輔以電子羅盤，對裂隙進(jìn)行定位。依據(jù)上述理論分析，產(chǎn)生裂隙方向即為最大主應(yīng)力σH方向。

圖2 水壓致裂地應(yīng)力測量示意Fig.2 Indication of hydrofracturing stress measurement

2.2 地應(yīng)力測量指標(biāo)確定

為方便井下測量工序，提高測量效率，摒棄傳統(tǒng)大孔徑、速度慢、笨重的設(shè)備，結(jié)合煤礦井下特點(diǎn)，使用小孔徑、高效率、輕便的新型設(shè)備進(jìn)行測量，具體參數(shù)為孔徑582 mm，孔深≤30 m，水壓≤40 MPa，角度最大偏差3°，測點(diǎn)注壓時(shí)間≤2 h，滿足支護(hù)及其他技術(shù)要求。

3 現(xiàn)場測試

此次測試在沙坪煤礦研究區(qū)域已掘巷道中有選擇性的布置4組測點(diǎn)，已掘巷道的頂板和兩幫各布置2組測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)布置2個(gè)鉆孔，其中巷道頂板處測點(diǎn)孔深20 m、孔徑為58 mm，垂直頂板向上布置。為使鉆孔內(nèi)部積水流出，巷道兩幫測點(diǎn)鉆孔水平仰角為3°～5°，為了減小測試誤差，4組測點(diǎn)鉆孔鉆鑿結(jié)束后都對鉆孔內(nèi)部進(jìn)行清理。

3.1 測點(diǎn)位置

此次測試測點(diǎn)共4個(gè)，測點(diǎn)位置如圖3～圖4所示。

圖3 第一、第二、第三測點(diǎn)位置示意Fig.3 Position indication of the first，second and third measuring points

圖4 第四測點(diǎn)位置示意Fig.4 Position indication of the fourth measuring point

第一、第二測站位于下水平回風(fēng)大巷（沿13號煤頂板掘進(jìn)），距巷口1 100 m、1 450 m處。巷道為矩形斷面，錨網(wǎng)索+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)，巷道斷面寬6.0 m，測站鉆孔開孔處距離巷道底板高4.7 m，測站處埋深分別為193.4 m、163.3 m。

第三測站位于下水平輔運(yùn)大巷（沿13號煤底板掘進(jìn)），距正掘巷口50 m處。

第四測點(diǎn)位于1812回風(fēng)順槽處主回撤通道中，巷道沿煤層8號底板布置，寬5.0 m，高3.7 m，矩形斷面，采用錨桿+錨索+鐵絲網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，測點(diǎn)處埋深125.5 m。

3.2 地應(yīng)力測試

各個(gè)測點(diǎn)應(yīng)力測試結(jié)果見表1。

表1 沙坪煤礦水壓致裂地應(yīng)力測量結(jié)果Table 1 In-situ stress measurement results of hydraulic fracturing in Shaping Coal Mine

第一測點(diǎn)地應(yīng)力測試結(jié)果（巷道高度4.7 m，距孔口14.0 m）如圖5～圖6所示。

圖5 第一測點(diǎn)水力壓裂曲線Fig.5 Hydraulic fracturing curve of the first measuring point

圖6 第一測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力定向結(jié)果（北偏西43.8°）Fig.6 Directional results of maximum horizontal principal stress at the first measuring point(43.8°north-west)

第一測點(diǎn)測的數(shù)據(jù)經(jīng)處理計(jì)算可得，破裂壓力Pb、重張壓力Pr、瞬時(shí)關(guān)閉壓力Ps分別為4.04、3.57、3.16 MPa。

測點(diǎn)處底板埋深約193.4 m，巷道高4.7 m，測試段較孔口高14.0 m，可知測試段埋深約為147.7 m，依據(jù)公式（4）可得最小水平主應(yīng)力σh、最大水平主應(yīng)力σH、垂直主應(yīng)力σv大小分別為2.97、5.54、4.37 MPa。

第二測點(diǎn)地應(yīng)力測試結(jié)果（巷道高度4.7 m，距孔口15.0 m）如圖7～圖8所示。

圖7 第二測點(diǎn)水力壓裂曲線Fig.7 Hydraulic fracturing curve of the second measuring point

圖8 第二測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力定向結(jié)果（北偏西35.2°）Fig.8 Directional results of maximum horizontal principal stress at the second measuring point(35.2°north-west)

第二測點(diǎn)測的數(shù)據(jù)經(jīng)處理計(jì)算可得，破裂壓力Pb、重張壓力Pr、瞬時(shí)關(guān)閉壓力Ps分別為13.27、4.57、3.65 MPa。

測點(diǎn)處底板埋深約163.3 m，巷道高4.7 m，測試段較孔口高15.0 m，可知測試段埋深約為143.6 m，依據(jù)公式（4）可得最小水平主應(yīng)力σh、最大水平主應(yīng)力σH、垂直主應(yīng)力σv大小分別為3.45、5.99、3.59 MPa。

第三測點(diǎn)地應(yīng)力測試結(jié)果（巷道高度4.7 m，距孔口19.0 m）如圖9～圖10所示。

圖1 0 第三測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力定向結(jié)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)

圖9 第三測點(diǎn)水力壓裂曲線Fig.9 Hydraulic fracturing curve of the third measuring point

第三測點(diǎn)測的數(shù)據(jù)經(jīng)處理計(jì)算可得，破裂壓力Pb、重張壓力Pr、瞬時(shí)關(guān)閉壓力Ps分別為6.64、5.81、5.32 MPa。

測點(diǎn)處底板埋深約198.0 m，巷道高4.7 m，測試段較孔口高19.0 m，可知測試段埋深約為174.3 m，依據(jù)公式（4）可得最小水平主應(yīng)力σh、最大水平主應(yīng)力σH、垂直主應(yīng)力σv大小分別為5.08、9.68、4.36 MPa。

第四測點(diǎn)地應(yīng)力測試結(jié)果（巷道高度3.7 m，距孔口14.0 m）如圖11～圖12所示。

圖1 2第四測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力定向結(jié)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)

圖1 1 第四測點(diǎn)水力壓裂曲線Fig.11 Hydraulic fracturing curve of the fourth measuring point

第四測點(diǎn)測的數(shù)據(jù)經(jīng)處理計(jì)算可得，破裂壓力Pb、重張壓力Pr、瞬時(shí)關(guān)閉壓力Ps分別為6.14、3.48、3.16 MPa。

測點(diǎn)處底板埋深約125.5 m，巷道高3.7 m，測試段較孔口高14.0 m，可知測試段埋深約為107.8 m，依據(jù)公式（4）可得最小水平主應(yīng)力σh、最大水平主應(yīng)力σH、垂直主應(yīng)力σv大小分別為2.98、5.65、2.70 MPa。

4 結(jié) 論

（1）通過印模裝置得到巖石壓裂裂縫的印模，可真實(shí)反映裂隙發(fā)育狀態(tài)，壓裂曲線也反映出不同水壓對裂隙影響，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

（2）依據(jù)對所測區(qū)域13號煤第一、第二、第三測點(diǎn)和8號煤第四測點(diǎn)最小水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力、垂直應(yīng)力分析，參考相關(guān)評判標(biāo)準(zhǔn)可知，應(yīng)力均小于10 MPa，測試區(qū)域應(yīng)力場屬于低應(yīng)力值區(qū)域。

（3）四組測點(diǎn)均以最大水平主應(yīng)力為主，其中第一、第二測點(diǎn)最小水平主應(yīng)力為最小主應(yīng)力，所測區(qū)域應(yīng)力場類型為型應(yīng)力場；第三、第四測點(diǎn)垂直應(yīng)力為最小主應(yīng)力，所測區(qū)域應(yīng)力場類型為型應(yīng)力場。

（4）4組測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方向分別為N43.8°W、N35.2°W、N11.9°W和N12.8°W，為NNW—NW方向，方向一致性較好。