王庄煤矿740水平地应力测试研究

胡学军

（1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.山西潞安元丰矿业有限公司，山西省长治市，046204）

王庄煤矿740水平地应力测试研究

胡学军1，2

（1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.山西潞安元丰矿业有限公司，山西省长治市，046204）

针对王庄煤矿地质构造情况，采用小孔径水压致裂地应力测量装置，对740水平进行地应力测试。结合矿井区域地质构造和煤岩层赋存条件，分析了该水平地应力的特点。研究表明，该研究区域的地应力基本上是由自重应力和水平构造应力构成，构造应力在地应力中所占比重大于自重应力；最大主应力在近水平方向，最大水平主应力方向主要集中在N42.0°W～N59.2°W之间，最大水平主应力与巷道的夹角近似超过45°。

地应力测量 水压致裂法 应力场 分布特征

TD311

A

地应力是采场工作面、巷道围岩中产生矿井动力现象的根本作用力。随着采场规模的扩大和向深度发展，地应力对围岩变形与破坏的影响更加突出。在煤矿矿区进行地应力测量并分析地应力场分布特征，对矿井初期规划时工作面与巷道布置、开采期间的支护设计具有重要意义。

地应力测量方法有多种，根据测量基本原理不同，可将测量方法分为直接测量法和间接测量法。直接测量法包括扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法，间接测量法包括套孔应力解除法、局部应力解除法、松弛应变测量法和地球物理探测法。目前，水压致裂法由于其操作与设备相对简单，测量深度较深，得到了广泛应用。

本文采用水压致裂法对王庄矿区740水平进行地应力测试，布置了多个测点，监测分析矿区740水平地应力场特征与规律，为巷道支护设计提供依据。

1 水压致裂法

水压致裂法是近几年发展起来的。其方法是利用膨胀封隔器在已知深度上封隔一段钻孔，然后对封隔器之间的岩孔进行高压注水。利用记录到的破坏压力、瞬时关闭压力和使破裂重新张开的压力，确定水平主应力值，再通过印模套筒向钻孔壁膨胀，印下破裂的印痕，从而确定破裂方位，而破裂的方向也就是水平最大主应力方向。采用水压致裂法操作过程如下：

（1）根据地质编录及地质柱状图，岩芯及井径测井资料选取钻孔测试段。一般情况下，要求所选取的测试段为完整岩石段，并且其长度大于1.5m。为保证获得更多的有效数据，对每个孔尽可能多地选择一些测试段。

（2）钻杆泄漏试验。正式压裂以前，对测试所用钻杆进行泄漏试验。试验压力大于15MPa，对有轻微泄漏的钻杆及接头进行技术处理或更换，以保证测试数据的可靠性。

（3）将封隔器安置在预期的试验段。

（4）对试验段进行测漏试验。对封隔器进行打压，将测试段封隔，然后以较小的压力（压力值视岩性而定）向封隔段内注水，压力达到一定值后停止泵入，然后关闭高压泵，从压力随时间的下降曲线判断测试段的泄漏情况。将泄漏比较严重的测试段剔除，重新选择测试段。反之，即可进行下一步工作。

（5）破裂试验。将水泵入测试段，以使测试段加压，当测试段井壁（孔壁）由于水压产生破裂时停泵，待压力稳定后将压力管道的压力与大气接通，打开阀门迅速将水返出。

（6）重张试验。待压裂管道内的压力回零后，开始第二次注水，直到第一次产生的破裂缝重新张开，然后关泵，继续记录一段压力随时间的衰减曲线后，使压力回零。一般情况下，重张试验需重复3～4次。

（7）钻孔破裂印模，将带有罗盘定向装置的印模胶筒下到已经产生压裂缝的孔段，加压并保持一段时间，一般要在0.5～1h左右，然后把其拿出孔外，把印模胶筒上的裂缝痕迹描在专用薄膜上，记录好相应的参数，以备整理。

2 测试地点地质条件及分布

2.1 测点地质概况

5205工作面掘进3＃煤层，赋存于二叠系山西组地层中，为陆相湖泊型沉积，煤层厚6.91m，厚度稳定，全煤含夹矸5层，其中上分层含夹矸2层，下分层含夹矸3层，总厚度0.42m。南邻52辅助运输巷，北为5207已采工作面，西接52运输巷，东为13放水巷。该工作面整体上看为一向西北方向倾斜的单斜构造，局部略有起伏，煤层倾角为1～7°。

2.2 测点布置

第一测站设在王庄矿43三下山。该巷道沿3＃煤层顶板掘进，巷道采用锚杆支护，巷道高3.20m。从顶板地应力测试孔所取出的岩芯来看，巷道顶部7.1m为灰黑色泥岩和砂质泥岩，其中1.5m内岩芯破碎，4m处有破碎带存在，整体岩芯较破碎；7.1m以上为白砂岩，致密坚硬，岩芯较完整，局部有纵向裂隙。

第二测站设在王庄煤矿43二下山轨道巷中。该巷道沿3＃煤层顶板掘进，巷道采用锚杆支护，巷道高3.20m。分析顶板地应力测试孔取出的岩芯，巷道顶部0～3.4m为灰黑色泥岩和砂质泥岩，岩芯极不完整；在1.88～2.03m处有纵向裂隙；3.40～19.10m为砂岩，致密坚硬，岩芯较完整，局部有纵向裂隙。

第三测站设在王庄矿43三下山南翼轨道巷中。该巷道沿煤层底板掘进，采用锚网支护。分析顶板地应力测试孔取出的岩芯，巷道顶部有4.10m厚的煤层，岩芯破碎；4.10～6.70m为泥岩，灰黑色，岩芯较破碎；6.70～9.70m为粉砂岩，灰白色，以石英为主，较完整；9.70～20.00m为中砂岩，呈灰黑色，致密，块状，岩芯较完整。

3 测试结果与分析

采用公式计算得到最大水平应力、最小水平应力和垂直应力，见表1。孔壁岩石的压裂完成后，对孔壁压裂部位进行了印模，以便取得水压裂缝的走向。印模结果如图1所示。

表1 地应力测试结果

第一测站侧压比（即最大水平主应力与垂直主应力的比值）为1.84，平均水平主应力为6.14 MPa，平均水平主应力与垂直主应力的比值为1.49，最大水平主应力方向为N55.0°W；第二测站侧压比为1.90，平均水平主应力为8.49MPa，平均水平主应力与垂直主应力的比值为1.63，最大水平主应力方向为N59.2°W；第三测站侧压比为1.78，平均水平主应力为7.77MPa，平均水平主应力与垂直主应力的比值为1.44，最大水平主应力方向为N42.0°W。

图1 740水平地应力测试印模图

4 结论

（1）王庄煤矿740水平测试地点平均埋深为202m，3个测站中最大水平主应力范围为7.60～9.92MPa，最小水平主应力范围为4.68～7.06 MPa，平均水平主应力范围为6.14～8.49MPa，垂直应力范围为4.13～5.39MPa。

（2）3个测站中的最大水平主应力＞最小水平应力＞垂直主应力，侧压比范围为1.78～1.90，平均水平主应力与垂直主应力的比值范围为1.44～1.63，地应力基本上是由自重应力和水平构造应力所构成，水平构造应力在地应力中所占比重要大于自重应力。

（3）最大主应力在近水平方向，最大水平主应力方向主要集中在N42.0°W～N59.2°W之间，最大水平主应力与巷道的夹角近似超过45°，这使得巷道侧帮的水平应力较大，这在锚杆支护设计中应予以充分重视。

［1］ 马念杰，刘少伟，李英明.基于地应力的煤巷锚杆支护设计与软件研究［J］.中国煤炭，2004（2）

［2］ 蔡美峰.地应力测量原理与技术［M］.北京：科学出版社，2000

［3］ 倪兴华.地应力研究与应用［M］.北京：煤炭工业出版社，2007

［4］ 康红普，颜立新，张剑.汾西矿区地应力测试与分析［J］.采矿与安全工程学报，2009（3）

［5］ 刘允芳，刘元坤.水压致裂法三维地应力测量方法的研究［J］.地壳形变与地震，1999（3）

［6］ 陈治中，汪占领，王文新.枣泉煤矿地应力测试及其分布［J］.煤矿开采，2011（5）

Research on crustal stress measurement on 740 level of Wangzhuang Coal Mine

Hu Xuejun1，2
（1.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Haidian，Beijing 100083，China；2.Shanxi Lu＇an Yuanfeng Coal Mining Company Ltd.，Changzhi，Shanxi 046204，China）

Aimed at the geological structure of Wangzhuang Coal Mine，the crustal stress measurement was carried out with the help of the small borehole hydraulic fracturing test unit on 740level.The characteristics of crustal stress was analyzed according to the geological structure and the coal strata occurrence.The research showed that the crustal stress in this region involves gravity stress and horizontally structured stress，and the latter makes greater contribution than the former.The maximum main stress was in the nearly horizontal direction，while the maximum horizontal main stress mainly distributed in the range of N42.0°W－N59.2°W，and the angle between it and the roadway was approximately greater than 45°.

crustal stress measurement，hydraulic fracturing method，stress field，distribution characteristics

胡学军（1961－），男，山西省朔州人，高级工程师，现任潞安元丰矿业有限公司总经理，中国矿业大学（北京）在读博士研究生，主要从事采矿工程技术研究。

（责任编辑 张毅玲）