沁水盆地南部地区的地应力分布规律研究

陈　晨，朱希安，王占刚

(北京信息科技大学 信息与通信工程学院，北京　100101)



·试验研究·

沁水盆地南部地区的地应力分布规律研究

陈晨，朱希安，王占刚

(北京信息科技大学 信息与通信工程学院，北京100101)

为了研究矿区地应力分布规律，在沁水盆地南部柿庄北地区的16个煤矿采用水压致裂法完成了22个测点的地应力测量工作。在实测数据的基础上，分析了地应力随埋深变化的分布规律、最大水平主应力与垂向主应力的比值随深度变化的关系。研究表明，该矿区总体上属于构造应力场，并且应力值属于高等应力值。地应力应用于煤矿的测量为煤和瓦斯突出的研究以及油气田稳定性提供理论基础。

水压致裂法；地应力测量；分布规律；埋深

初始地应力场是地质工程稳定性评价的重要基础资料，它不仅决定油田油井的稳定性，而且会对矿山设计和施工造成直接的影响。随着煤矿地下工程规模的不断扩大，埋藏深度不断增加，地应力的作用越来越关键，工程区的地应力场分布特征一直是煤矿开采的重要研究课题[1].因此，地应力在煤矿井下的测量与分析对石油的勘探和矿山设计具有非常重要的作用。

地应力场主要以自重应力场和构造应力场为主。自重应力场由岩体重力引起，计算比较简单，可用上覆岩层的密度与埋深估算。导致构造运动的地应力场称为构造应力场，构造应力场的影响因素众多，包括岩性、地形、板块边界受压、地幔热对流、岩浆侵入、温度分布不均、地表剥蚀作用等,而且构造应力场属于随空间和时间变化的非稳定的应力场,只能判断、测试，不能计算得出，至今还很难用比较确切的表达式描述构造应力场的分布与变化规律。最可靠的方法是在现场进行地应力测量，然后对实测结果进行统计分析，研究地应力分布规律，用来指导实践[2].

1　测量方法

1.1测试方法选择

目前，比较典型的地应力测量方法有：应力解除法、应力恢复法、声发射法和水压致裂法。其中，水压致裂法和应力解除法在工程应用中使用最为广泛。应力解除法在煤矿井下的使用局限大且需要复杂的套孔工序，因而测量的精度很难得到保障。而水压致裂法的要求简单宽松，可以在未知岩石的力学参数情况下就能获得地应力的多种参量，具有易操作、可在任意深度连续测试、量速快、测值准确、花费少等优点，近年来倍受关注[3].因此，采用水压致裂法对沁水盆地南部柿庄北地区测量地应力符合现场实际情况。

1.2测量原理

水压致裂法[4]测量地应力的基本过程：首先在钻孔内封隔出一段作为测试段，再将高压液体泵入测试段加压，使周围岩土遭到破坏产生诱发裂缝并扩展，同时记录压力随时间的变化曲线；然后读取分析变化曲线，得到3个压裂特征参数(破裂压力Pb、裂缝重张压力Pr、闭合压力Ps)，再根据理论公式计算得到测试段的主应力值。

(1)

(2)

(3)

式中：

σh,σH,σV—分别为最小水平主应力、最大水平主应力、垂直主应力，MPa；

Ps—裂缝闭合压力，MPa；

Pr—裂缝重张压力，MPa；

P0—地层压力，MPa；

γ—上覆岩层的体积密度，g/cm3；

H—上覆岩层的深度，m.

准确读取3个压裂特征参数值能够提高地应力的测量精度以及地应力测值结果的可靠性[5].在压裂曲线的3个参数中，读取Ps的值最重要，因为最小水平主应力等于闭合压力，Ps造成的误差等于最小水平主应力的误差，同时使最大水平主应力的误差增大3倍，一般采用拐点法判读闭合压力能够提高水压致裂测量地应力的精度。根据上述原理就可以测量和计算得到最小水平主应力和最大水平主应力。

1.3地应力测试结果

柿庄北地区二叠系山西组的3号煤层，分布广泛，资源丰富，厚度稳定，是深部煤层气勘探的主要目的层，本文主要根据3号煤层进行研究。根据测井、录井资料，研究区3号煤层平均厚度为6.10 m，煤层直接顶、底板均为泥岩，平均厚度分别为1.05 m、1.00 m.通过取芯观察，煤层及其直接顶、底板垂直裂缝发育。

为了深入准确地反映柿庄北矿区地应力场的特征，需要更多测点的测量结果结合矿区地质构造综合分析，因此，在柿庄北地区布置了22个测量点对3号煤层进行地应力测量，研究矿区地应力场分布规律。

2　矿区地应力分布规律

对由水压致裂法获得的22个矿区测试点数据进行分析，数据分析结果表明，地应力在矿区的测试结果呈现一定的规律性。

2.1整体主应力随深度变化的分布规律

从测量结果来看，测点埋深集中在700～1 400 m，地应力随深度变化的曲线见图1.从图1可知，除个别点外，垂向主应力几乎随深度呈线性增加，最大、最小水平主应力整体上均随深度增加而增大，但由于受到构造运动的作用，导致最大和最小水平主应力的量值出现离散性，分布规律不是很明显，很难用确切的函数表达式描述分布特征，这正是地质构造复杂、影响因素众多的柿庄北矿区地应力的分布特征。

图1　地应力与深度的关系曲线图

在矿区所有测点中，埋深最浅的为738 m，最深的为1 348 m.埋深在700～1 000 m的测点有16个，其中仅有4个测点的最大水平主应力小于垂直主应力，其余测点均大于垂直主应力，占75%；埋深在1 000～1 400 m的测量点有6个，其中最大水平主应力小于垂直主应力的测点有2个，而大于垂直主应力的测点有4个，占67%.

在16个700～1 000 m测点中只有2个测点的最小水平主应力大于垂直主应力，其余均小于垂向主应力，占87.5%；而在6个1 000～1 400 m的测点中，全部测点的最小水平主应力均小于垂直主应力。

综上可知，埋深在700～1 000 m时，最大、最小水平主应力随深度增加而增大的速度较快，而埋深在1 000～1 400 m时，最大、最小水平主应力随深度增加而增大的速度有减缓的趋势。在较浅的煤矿中，垂向主应力增加速度要小于最大水平应力的增加速度；在相对较深的煤矿中，最大水平应力的增加速度小于垂向主应力的，埋深达到一定值时，最大水平主应力的值逐渐接近于垂直主应力。

2.2应力值随深度变化规律

分析22个测试点的应力值表明，矿区最大、最小水平主应力以及垂向主应力均与深度呈正相关关系，因此，可以用最小二乘法线性拟合进行回归分析[6].地应力的值与深度的线性关系式为：

σH=0.027 9H+1.865 3,MPa(R2=0.633 5)

σh=0.019 8H+0.563 8,MPa(R2=0.688 9)

σV=0.025 4H+0.506 0,MPa(R2=0.999 7)

式中：

H—深度，m.

由图1可以看出，矿区的垂向应力与埋深呈线性关系，而回归式中存在量值较小的常数项，可能是受到地形和局部断层影响造成的。最大、最小水平主应力值基本上随着埋深增加而增大，由于受构造运动的影响，水平应力值离散性很大，规律性不够明显；σH及σh的回归式中均出现一定量值的常数项，可能是地形和水平地质构造应力共同影响的结果。

2.3最大水平与垂直主应力比值随深度变化规律

用最大水平主应力与垂向主应力的比值作为衡量地应力的变化趋势的指标更具有客观性，这个指标就是侧压比k，即k=σH/σV.参照布朗-霍克世界范围内地应力分布规律的研究成果，并且回归分析柿庄北矿区的侧压比随深度的变化规律，结果见图2.

图2　地应力侧压比与埋深的关系示意图

由图2可知，埋深在700～1 000 m时，16个测点中有12个测点侧压比大于1，其余4个测点的侧压比小于1；埋深在1 000～1 400 m时，6个测点中有4个测点侧压比大于1，剩余2个测点的侧压比小于1.侧压比总体上随深度增加而减小，但当达到某个深度时，侧压比逐渐趋于一个定值，这符合一般地应力场规律。通过研究侧压系数随深度的变化关系，可以更好地估测矿区临界深度的大概范围，对于矿井向更深部的开采延伸具有重要意义[7].

2.4最大水平与最小水平主应力比值分布规律

在柿庄北矿区的22个测点中，最大与最小水平主应力比值即σH/σh最大为1.83，最小为1.01，平均值为1.43，最小水平主应力和最大水平主应力之间的差值比较大，造成这种现象的原因可能是受地形、岩石特性等因素的影响。

2.5矿区应力量级的判断

根据知名教授于学馥提出来的判断标准：18～30 MPa认为是高应力区，低于10 MPa认为是低应力区，介于两者之间的为中等应力区，超过30 MPa属于超高应力区[8].柿庄北矿区22个测点中，最大水平主应力全部超过10 MPa，1个介于10～18 MPa，12个介于18～30 MPa，9个超过30 MPa.因此，可以判断柿庄北地区整体上属于高应力矿区，局部地区属于超高应力区。

2.6矿区应力场类别的判断

在柿庄北地区22个地应力测点的测量结果表明，柿庄北矿区地应力场有2种:σHV型和σVH型。在22个测点中，其中有16个测点σH/σV>1，占72.7%，6个测点σH/σV<1，占27.3%.由此可见，柿庄北矿区总体上属于σHV型应力场，水平应力占有绝对优势，说明柿庄北矿区以构造应力为主，属于构造应力场。

3　结　论

通过水压致裂法对柿庄北矿区的地应力进行测量并分析比较，该矿区的地应力场具有如下规律：

1) 柿庄北矿区的地应力总体上随埋深增大而增大，垂直主应力与埋深线性关系良好，最小和最大水平主应力整体上随深度增大而增大，但由于受到构造运动的作用，导致最大和最小水平主应力的量值出现离散性。

2) 在相对较浅的煤矿矿井中，水平应力的增加速度大于垂向主应力增加速度；在深度相对较大的煤矿矿井中，垂向主应力的增加速度要大于水平应力的增加速度，且随着埋深的增加，最大水平主应力逐渐趋于接近垂直主应力。

3) 柿庄北矿区整体上属于高应力区，局部地区属于超高应力区，而且由于受到地形、地质构造的影响，导致最大与最小水平主应力之间的差值比较大。

4) 柿庄北矿区地应力场基本上属于σHV型应力场，水平应力占有绝对优势，以构造应力为主，属于构造应力场。

[1]李建博,杨保全,王殿春.基于神经网络与有限元法相结合的初始地应力场反演分析[J].北华大学学报(自然科学版),2012(3):369-372.

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Study of In-situ Stress Distribution Law in Southern Qinshui Basin

CHEN Chen, ZHU Xi'an, WANG Zhan'gang

In order to research distribution law of in-situ stress in mining area, the hydraulic fracturing method are adopted in sixteen coal mines of the southern Qinshui basin Shizhuang north area to complete the in-situ stress measurements of twenty-two points. Analyzes the distribution rule of in-situ stress changing with depth, the relationship of maximum horizontal principal stress to vertical principal stress ratio with depth changing on the basis of measured data. The results show that the mining area is a part of the tectonic stress field and the stress value belongs to the higher stress value. In-situ stress is applied to the measurement of coal mine which provides theoretical foundation for the research of coal and gas outburst and stability of oil and gas field.

Hydraulic fracturing method；In-situ stress measurement; Distribution law; Burial depth

国家“十二五”重大专项(2011ZX05042-003-002)：CO2注入后的运移监测和安全技术研究；人才培养项目-引领学科(5111524100)

2015-12-19

陈晨(1990—)，女，安徽宿州人，2016年毕业于北京信息科技大学，硕士研究生，主要从事地应力方面的研究(E-mail)526196597@qq.com

TD311

A

1672-0652(2016)03-0043-04