小孔径水压致裂三维地应力测量及在寺河煤矿应用

张 晓

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

小孔径水压致裂三维地应力测量及在寺河煤矿应用

张 晓1，2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

介绍了3个不同方向水压致裂三维地应力测试原理及在寺河煤矿的具体应用，将寺河煤矿水压致裂三维地应力测试结果和二维测试结果进行了比较，二者具有较好一致性。测试结果表明：寺河煤矿地应力以水平主应力为主，属于典型构造应力场类型，最大水平主应力在量值上属于中等应力值应力场，最大主应力方向为近水平东西向。根据最大水平主应力方向，建议主要巷道轴线尽可能沿东西向布置，有利于巷道支护及围岩的稳定。

水压致裂；地应力；三维地应力测量；构造应力场

地应力也即原岩应力是引起矿井采掘活动及其他地下工程变形和破坏的根本驱动力，地应力场在采掘活动的扰动下产生采动应力场，采动应力场对地下工程围岩稳定起着决定性影响。因此，地应力测量技术是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性控制，实现地下工程科学、合理设计的必要技术条件[1-2]。目前地应力测试技术在国内外采矿工程中已受到高度重视，其测试结果大大提高了采掘工程活动设计的科学性。在诸多的地应力测量方法中，水压致裂法对测试环境的要求比较低，能测量较深处岩体的地应力状态，不需要测量岩石的弹性模量,受局部客观因素的影响相对较小，不需要象应力解除法那样复杂的套芯工序，测试工作量较小，是最为适合煤矿井下条件的测量方法之一[4]。

传统水压致裂法地应力测量通常将测试钻孔布置在铅垂方向，设定垂直主应力为铅垂方向，垂直主应力根据上覆岩层自重计算，测量垂直于钻孔轴线平面内最大及最小水平主应力。由此，传统水压致裂法地应力测量在本质上测量的是平面应力，而非三维应力[3]。传统水压致裂地应力测量在地形上变化不大，地形切削不严重的地域，其测量结果误差不是很大，但当测试区域地形变化较大，地形切削严重时，垂直主应力方向往往与铅垂方向偏差较大，测量结果可能严重失真[2]，此时采用三维地应力测量结果较为准确。

水压致裂三维地应力测量方法具体有3种：根据3个不同方向钻孔的完整岩体段的压裂试验确定测试区域地应力状态；布置1个钻孔，根据钻孔原生裂隙的重张试验来确定测试区域地应力状态；利用原生裂隙段的重张试验结合完整岩体段常规压裂试验确定测试区域地应力状态。

以上3种测量方法中后2种测量方法均需要确定原生裂隙面的走向、倾角，均需建立每个结构面坐标系与大地坐标系间的几何关系。确定裂隙结构的走向及倾角现场实施起来比较困难，测试工作量大，计算过程比较复杂，在此不做介绍。本文采用3个不同方向钻孔完整岩体常规压裂的方法进行三维地应力测量。

1 测量原理

沿不同方向布置3个钻孔进行水压致裂三维地应力测量，其基本原理是根据传统水压致裂法测量垂直于钻孔轴线横截面上的大、小次主应力σA与σB，根据相关力学知识建立6个应力分量和σA与σB之间的关系式，先求出6个应力分量，再应用三维应力状态的特征方程即可求出3个主应力的大小和方向[4]。

为了便于整理实测数据，观测值方程应力分量均依大地坐标系建立。建立大地坐标系O-XYZ，X轴为水平方向，Z轴为铅垂向上方向，Y轴根据右手法则确定。设井下巷道的轴向方位角为β0，设定测量钻孔编号为i，测量钻孔倾角为αi，方位角为βi。建立钻孔坐标系O-XiYiZi：定义轴Zi为钻孔方向，轴Xi为水平方向；Yi轴根据右手法则确定。对钻孔中完整岩体进行一般压裂试验即可获得垂直于钻孔轴线的截面上的二维应力状态，然后通过坐标变换从而得到大地坐标系表达下的常规压裂试验观测值方程组如下[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为第i钻孔横截面上水压致裂破裂缝与Xi的夹角及二维应力的实测值。对每个钻孔进行二维水压致裂试验可得到一组σAi，σBi及Ai。

根据不同方向3个钻孔常规压裂试验，可求出大地坐标系下三维地应力状态中6个应力分量。

求得地应力状态的6个应力分量后，再根据三维应力状态特征方程，即可得到3个主应力的大小及方向。3个主应力大小为[2]：

(2)

3个主应力的倾角αsi和方位角βsi为[2]：

αsi=sin-1Ni

(3)

式中，Mi和Ni为主应力相对大地坐标系Y轴和Z轴的方向余弦：

(4)

至此，三维地应力状态中的主应力大小和方向即确定了。

2 现场应用

寺河煤矿隶属于晋城煤业集团下属的特大型现代化矿井，井田受新华夏构造——晋东南山字型构造、太行山隆起带、断裂带的影响，断层分布多，构造形态以褶曲为主，地壳构造运动的行迹明显，地质条件较为复杂。矿区地应力场主要以构造应力为主，且最大水平主应力方向呈现多变性，巷道围岩破坏受地应力影响特征明显。为了充分掌握寺河矿区地应力场特征，提高煤矿采掘工程设计的可靠性、科学性，有效控制围岩的变形与破坏，本文采用3个不同方向钻孔水压常规压裂试验法对寺河矿区进行三维地应力现场实测。

2.1 测站布置

三维地应力测量测站布置在寺河矿距切眼800 m处的33022回风巷位置。33022回风巷巷道轴线方位角为292°。在同一位置布置3个钻孔，采用不同方向的三孔常规压裂试验测量三维应力。钻孔布置如图1 。每个倾斜钻孔坐标系下的X轴都取水平并沿巷道轴线方向，巷道轴线方位角β0=292°。铅垂钻孔X轴取正北向。

图1 钻孔布置

巷道轴线方位角、不同钻孔倾角、方位角及其他参数见表1。

2.2 测试仪器及装置

表1 3个钻孔的倾角和方位角

本次测试仪器及装置采用煤炭科学研究总院开采研究分院自主研制的SYY-56型小孔径水压致裂地应力测量装置，该套装置采用φ56mm的小孔径钻孔。该套仪器由注水杆、分隔器、印模器、定位器、手动泵、储能器、隔爆油泵及数据记录仪等部件组成，该套测试仪器及装置具有重量轻、体积小、测试性能可靠的特点，非常适合在煤矿井下恶劣环境条件下进行地应力快速测量工作。

2.3 三维地应力实测结果

水力压裂试验中采集的压力-时间曲线及破裂缝印膜如图2所示。根据破裂压力、重张压力及关闭压力，应用传统水压致裂法中最大、最小水平主应力计算公式算出各个钻孔中垂直于钻孔轴线的截面上大、小次主应力σA，σB[5]。

图2 钻孔水压致裂曲线及印膜

将各钻孔所测得的垂直于钻孔轴线的截面上二维应力状态σA，σB和钻孔的倾角、方位角及破裂缝参数代入式(1)～式(4)得到三维地应力测量结果，见表3。

2.4 三维与二维地应力实测结果比较

为了准确掌握该区域地应力特征，同时比较水压致裂二维地应力和三维地应力测量结果的差异，在三维地应力测站附近布置2个测站进行二维地应力测量，并将测量结果进行比较。

表2 3钻孔完整岩体段压裂试验数据

表3 三维地应力测量结果

二维地应力测量结果表明：最大水平主应力平均值为17.87MPa；最小水平主应力平均值为9.03MPa；最大水平主应力方向主要集中在N71.2°W～N83.4°W，最大主应力方向近似呈水平东西方向，最小水平主应力方向近南北向。二维测试结果表明寺河矿区应力场类型为构造应力场，水平主应力占绝对优势。

三维地应力测量试验结果表明：最大主应力大小为14.53MPa，倾角为19.7°，方位角为281.3°，近似呈近水平东西方向；最小主应力大小为6.40MPa，倾角为12.4°，方位角为188.7°，大致呈近水平南北方向；中间主应力倾角为74.6°，近铅垂方向(与铅垂方向误差小于25°，即可认为近铅垂方向)，大小为9.8MPa。三维地应力测量结果表明中间主应力与二维测量结果中垂直主应力的估算值大小相差仅为7.5%，一致性较好。三维测试结果表明寺河矿区应力场为典型的构造应力场，水平主应力也占绝对优势。

寺河矿区二维和三维测量地应力结果表明：寺河矿区应力场类型为构造应力场类型，矿区地应力以最大水平主应力为主；矿区最大主应力均为水平或近水平东西方向的水平主应力，在量值上大小之差仅为18.6%。中间主应力方向均为铅垂向或近铅垂向，最小主应力均为最小水平主应力。由于寺河矿区地质构造复杂，地应力场具有多变形性，不同测试区域的地应力大小和方向可能有所变化。因此，总体而言，本次水压致裂地应力二维和三维地应力测量结果在寺河矿区具有较好的一致性。

3 结 论

(1)本次测试结果表明，寺河矿区地应力场中最大主应力为水平主应力，中间主应力为垂直主应力，地应力场受构造运动影响明显，属于典型的构造应力场类型。应力场量值属于中等应力场量值。

(2)二维、三维地应力测量结果同时表明：寺河矿区最大水平主应力大致呈近水平、东西方向，中间主应力方向均为铅垂方向或近铅垂方向。考虑寺河矿区地质构造复杂，地应力场具有多变形性，本次二维和三维测量结果具有较好一致性。一般条件下传统二维水压致裂地应力测量也能满足采掘工程设计的需要。

(3)巷道轴线与最大水平主应力方向平行时，地应力对巷道围岩的变形与破坏影响最小[7]，因此，建议寺河矿区主要巷道，尤其是服务期限较长巷道在条件许可情况下，巷道布置最佳方向为其轴线沿东西向布置，有利于巷道支护与围岩稳定。

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[12]张 晓.小孔径水压致裂地应力测量技术研究及现场应用[D].北京：煤炭科学研究总院，2004.

[责任编辑：邹正立]

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

国家自然科学基金煤炭联合基金重点项目(U1261211)

张 晓(1979-)，男，河南驻马店人，在读博士生，副研究员，从事地质力学测试及巷道矿压及支护技术研究与推广工作。

张 晓.小孔径水压致裂三维地应力测量及在寺河煤矿应用[J].煤矿开采，2017，22(4)：10-12，31.

TD326

A

1006-6225(2017)04-0010-03