水压致裂地应力测试法在煤矿底板突水预测中的应用

林旭东

(中煤科工集团西安研究院有限公司水文地质研究所，陕西省西安市，710054)

水压致裂地应力测试方法随着石油工业发展而产生，后来逐渐发展成为一种地应力测量方法。水压致裂地应力测试方法是迄今为止进行深部地应力测量最有效的手段。经过30多年的发展，对于一些重大工程的建设，它已成为一个不可或缺的测试手段，因而引起了世界范围内众多研究人员和学者的高度重视，并被广泛采用。

岩水应力关系理论，是突水预测的方法之一。该学说由原煤炭科学研究总院西安分院于20 世纪90 年代提出。该学说认为底板突水是岩(底板砂页岩)、水(底板承压水)、应力(采动应力和地应力)共同作用的结果。水压致裂地应力测试法预测煤矿底板突水是利用岩水应力关系理论，在测试钻孔中利用高压水将钻孔岩石压裂，测试出地层岩石的破裂压力，计算出地层最大最小主应力，从而对地层的阻水性能进行分析评价。水压致裂地应力测试法对于煤矿突水预测有着重要作用，该方法相对实施简单，预测准确度较高，应用范围广。

1 水压致裂地应力测试法预测底板突水原理

在进行水压致裂原位地应力测试之前，首先需要作如下一些假定：岩石是均匀脆性和各向同性的线弹性体；岩石为多孔介质时注入液体按达西定律在孔隙中流动；3个主应力方向之一与钻孔轴平行。

地壳中某一点的地应力状态，一般来说可用3个主应力分量SH、Sh和SV来表示，SH、Sh分别代表最大和最小水平主应力，SV代表垂直主应力。

水压致裂沿最小主应力路径发展，即在垂直于最小主应力方向的平面内发展，大量试验结果表明，无论垂直主应力的大小如何，钻孔壁上面完整岩石的初始水压裂缝总是垂直的，而且垂直于最小水平主应力方向。通过测试数据计算地应力大小则有两种可能。

(1)如果一个水平主应力是3个主应力中最小的一个(Sh=S3，SV=S1或SV=S2)，则起始为垂直裂缝，而延伸也是垂直向裂缝。关闭水泵后，维持裂缝张开的瞬间闭合压力Ps就等于垂直破裂面方向的压应力，即最小水平主应力：

Sh=Ps

(1)

式中：Ps——瞬间闭合压力。

在此条件下，垂直主应力将根据上覆岩石的容重进行计算，即：

SV=ρH

(2)

式中：ρ——上覆岩层容重；

H——测试段深度。

(2)如果SV是最小主应力的话，那么在压裂过程中初始裂缝是垂直的，这时可得到第一瞬时闭合压力Ps1；当破裂面延伸并过渡到水平裂缝时，则会得到第二瞬时闭合压力Ps2；显然Ps1>Ps2，即：

在此条件下，最小水平主应力和垂直主应力都可以直接在压力-时间记录中确定下来。

最大水平主应力为：

(5)

式中：Pb——岩石破裂压力；

Pr——重张压力；

T——抗张强度。

根据岩水应力关系理论，采动矿压使底板隔水层出现一定深度的导水裂隙, 降低了岩体强度, 削弱了隔水性能, 造成了底板渗流场重新分布, 当承压水沿导水破裂进一步浸入时, 岩体则因受水软化而导致裂缝继续扩展, 直至两者相互作用的结果增强到底板岩体的最小主应力小于承压水水压时, 便产生压裂扩容, 发生突水。其表达式为：

(6)

式中：I——突水临界指数；

Pw——底板隔水岩体承受的水压；

z——底板岩体的最小主应力。

当I<1时不会发生突水, 反之则发生突水。该学说综合考虑了岩石、水压及地应力的影响, 揭示了突水发生的动态机理。

2 榆树坡煤矿5#煤层带压开采条件

山西宁武榆树坡煤业有限公司井田位于宁武县城东北约2 km处，井田面积15.0247 km2，生产规模为120万t/a，主采太原组2#、5#煤层。

榆树坡煤矿位于宁武煤田的东北端，处于平朔朔南煤炭国家规划矿区西南部，属于典型的华北型煤田。华北型煤田下组煤开采面临的最大挑战是来自煤层底板奥灰含水层的突水威胁。榆树坡煤矿区域水文地质单元所属的神头泉域矿井东部及西部均有大面积碳酸盐岩出露区，接受大气降水补给，矿井位置靠近神头泉域南部边界，处在泉域南部地下水补给区。井田内寒武奥陶系石灰岩岩溶发育，富水性强。

井田内，奥灰水位标高为+1063～+1070 m，5#煤层底板标高为+650～+1200 m，井田内5#煤层大部分区域属于带压开采。煤层距奥灰含水层50 m左右，5#煤层距离奥陶系灰岩隔水层厚度较小，带压开采具有一定的危险性。

3 测试方法及测试数据

为探查5#煤层底板隔水层的隔水性能，在井下2#煤层井底车场及5#煤层中央水仓附近施工3个水文探查孔，总工程量为420 m。3个钻孔终孔层位均为奥灰含水层，除了用于水压致裂测试地应力之外，还能够达到探查奥灰含水层富水性及分布规律的目的。测试钻孔参数见表1。3个测试钻孔结构如下。

表1 测试钻孔参数表

(1)TS1孔：从2#煤层顶板开孔，开孔为ø89 mm取芯钻进至18 m；然后用ø168 mm钻头扩孔，下入孔口管ø146 mm，长18 m；继续用ø89 mm取芯钻进直至134 m，做压水试验；再换ø130 mm钻头扩孔，下ø108 mm套管至134 m；最后用ø89 mm的钻头继续钻进至184 m。

(2)TS2孔：从5#煤层开孔，开孔为ø89 mm取芯钻进至21 m；然后用ø191 mm钻头扩孔，下入孔口管ø168 mm，长21 m；继续用ø89 mm取芯钻进直至53 m，做压水试验；再换ø146 mm钻头扩孔，下ø127 mm套管至52.5 m；然后用ø89 mm的钻头继续钻进至130 m；最后用ø110 mm钻头扩孔至130 m。

(3)TS3孔：从5#煤层开孔，开孔为ø89 mm取芯钻进至21 m；然后用ø191 mm钻头扩孔，下入孔口管ø168 mm，长21 m；继续用ø89 mm取芯钻进直至56 m，做压水试验；再换ø146 mm钻头扩孔，下ø127 mm套管至56 m；然后用ø89 mm的钻头继续钻进至106 m；最后用ø110 mm钻头扩孔至106 m。

在水压致裂应力测定之前，首先对岩芯进行观察和分析，并选择比较完整的岩石做为测试孔段。通过对3个测试孔所取出的岩芯完整性和岩性的判别，选取以下5个测试点：①1#测试点：测点中心距TS1号钻孔孔口向下垂深121.5 m，该段岩性为中砂岩；②2#测试点：测点中心距TS1号钻孔孔口向下垂深128.5 m，该段岩性为铝土岩；③3#测试点：测点中心距TS2号钻孔孔口向下垂深32 m，该段岩性为中砂岩；④4#测试点：测点中心距TS2号钻孔孔口向下垂深41.5 m，该段岩性为砂质泥岩；⑤5#测试点：测点中心距TS3号钻孔孔口向下垂深31 m，该段岩性为粗砂岩。

5个测试点的现场水压致裂测试压力-时间曲线如图1所示。

4 测试结果分析

根据前文介绍，通过现场测试结果(压力-时间曲线)可以直接读出测试点数据，见表2。

图1 各测试点压力—时间曲线

测点编号岩性岩石破裂压力Pb/MPa重张压力Pr/MPa瞬时闭合压力Ps/MPa1#中砂岩8.17.26.192#铝土岩8.596.846.193#中砂岩9.265.054.244#砂质泥岩6.495.985.05#粗砂岩8.217.034.43

根据弹性力学原理可以计算得出测点地应力数据，见表3。

表3 地应力数据

注：计算垂向应力时岩石容重取2.62 g/cm3

根据岩水应力关系理论，计算各测试点的突水临界指数，见表4。

表4 突水临界指数计算表

通过计算可知，突水临界指数I均小于1，平均为0.32，说明5#煤层底板隔水层具有较好的隔水能力。

通过本次测试钻孔及以往探查孔资料分析： 5#煤层底板至奥灰顶面岩层主要包括太原组、本溪组，岩性主要由砂岩、砂质泥岩、泥岩、灰岩和铝土泥岩及薄煤层组成。其中本溪组砂质泥岩隔水层具有良好的隔水性能，为煤层的主要隔水层。

5#煤层底板至奥灰含水层顶板隔水层岩性特征如下：泥岩类岩层平均占隔水层总厚度的36.4%、砂岩类岩层占54.2%、灰岩类岩层占5.6%、其他岩类占3.8%。砂岩等坚硬类岩层的隔水性能相对差，但是抗破坏性能强，主要起到抵抗矿压、水压、地应力综合作用对隔水层的破坏，可起到底板关键层作用；泥岩等软弱类岩层抗破坏能力相对差，但是阻隔水能力强，且受破坏后弥合速度快、弥合度高。

榆树坡煤矿5#煤层底板隔水层属于砂泥岩复合型，既有一定的抗水能力也有一定的隔水能力。通过测试及计算所得的突水临界指数平均为0.32，远小于1。总体评价榆树坡煤矿5#煤层底板隔水层隔水性能较强，正常开采情况不会出现底板突水事故。

5 结论

(1)水压致裂地应力测试法目前仍然是地应力测试中普遍应用的技术，其测试方法简单，测试结果相对准确。

(2)煤矿底板突水是地应力、采动应力与煤层底板承受水压共同作用的结果。由原煤炭科学研究总院西安分院提出的岩水应力关系理论正是利用煤矿底板突水的机理来预测煤矿底板突水。已经在多个煤矿底板突水预测中得以应用。

(3)榆树坡煤矿5#煤层属于带压开采，存在底板突水危险。为评价该煤层底板带压开采危险性，对榆树坡煤矿5#煤层底板岩层进行水压致裂地应力测试，通过岩水应力关系理论计算突水临界指数。通过现场测试、结果计算及分析，榆树坡煤矿5#煤层底板突水临界指数均低于1，底板隔水层性能良好。