淮南煤田潘集煤矿外围勘查区水压致裂地应力测量研究*

吴基文 张文永 彭 华 翟晓荣 沈书豪 孙 贵 毕尧山

(①安徽理工大学地球与环境学院， 淮南 232001， 中国) (②安徽省煤田地质局勘查研究院， 合肥 230088， 中国) (③中国地质科学院地质力学研究所， 北京 100080， 中国)

0 引 言

地应力是造成地下工程变形和破坏的根本作用力，是获取工程岩体力学特性，实现地下工程开挖设计与管理的前提条件(蔡美峰， 2000)。地应力与深部井巷的维护、冲击地压、煤与瓦斯突出、矿井突水等矿井地质灾害现象的关系十分密切。准确掌握工程区域的地应力特征，对合理确定矿井总体布置、进行巷道优化设计具有极其重要的意义，不仅可以改善巷道维护状况，避免灾害发生，提高生产效率，而且可以节约大量的巷道维护成本，大大提高煤矿的经济效益(蔡美峰， 2001； 康红普等， 2007； 张延新等， 2010)。

由于地应力的形成原因比较复杂，而现今地应力状态也是十分复杂、多变的，迄今为止，还很难用数学方式来描述地应力场。要了解一个地区的地应力场特征，开展地应力测量是唯一的方法(蔡美峰， 2000)。

安徽淮南潘集煤矿外围(深部)勘查区煤炭资源赋存状况良好，浅部紧邻潘谢矿区生产矿井，且勘查面积较大，走向延伸较长，下一步需进行矿区总体发展规划和井田划分。为此开展了普查、详查工作。同时结合勘查工程，开展了深部煤炭勘查与开采地质条件的研究，其中地应力测量与评价是地质勘查的重要内容之一。

当前测量现今地应力主要有应力解除方法、水压致裂方法、岩石声波速度方法、岩石声发射方法等。水压致裂法是公认的测量地应力大小的最有效方法(陈家庚等， 1989)，是国际岩石力学学会推荐的地应力测量方法之一(Hudson et al.，2003)，被广泛应用于涉及岩石工程的各个领域(刘允芳， 1991； Hayashi et al.，1997； 王章琼等， 2016； 韩振华等， 2019)，在隧道工程(黄艺丹等， 2021； 徐正宣等， 2021； 张玉玺， 2021)、水利水电工程(赵国平等， 2013)、地壳稳定性评价(牛琳琳等， 2015； 陈群策等， 2019)、非常规油气资源(页岩气、煤层气)赋存与开发条件评价(李勇等， 2014； 张光晗， 2019)中开展了水压致裂法地应力测量研究，为工程设计和评价提供了有效数据。由于水压致裂法在煤矿地应力测量方面尤其是在矿井的前期勘探中具有最经济实用的优点，因此在矿井的勘探阶段得到了广泛应用(Klee et al.，1999； 尤明庆， 2005； Bohloli et al.，2006； 蔡美峰等， 2006)。近年来，随着煤矿进入深部开采，井巷围岩变形破坏严重，地应力参数受到高度重视，众多煤矿在深部采区或补勘区均开展了水压致裂法地应力测量(张蕊等， 2010； 彭华等， 2011； 孙东生等， 2015； 蔺亚兵等， 2020)，获得了地应力场特征，为矿井巷道布置以及灾害防治提供了可靠参数。为此，本次针对潘集煤矿外围勘查区的地应力测量亦采用水压致裂法进行。

1 水压致裂法地应力测试原理与方法

1.1 测试原理与计算方法

水压致裂法地应力测量，产生于20世纪70年代，是目前国内外直接进行深孔测量地壳应力可靠而有效的方法。该方法可直接获得地应力场参量，不需要测试岩石的力学参数，同时具有操作方便、测试速度快、连续重复测量、测值稳定等特点(康红普等， 2007； 杨绍喜， 2008； Chatterjee et al.，2010； 刘春香， 2011)，因此近年来发展迅速，并取得了许多成果，积累了丰富的地应力实测资料。

水压致裂法测量地应力是以弹性力学为基础，以3个假设，即： ①岩石是线性、均匀和各向同性的弹性体； ②岩石是完整的、非渗透的； ③岩层中有一个主应力分量的方向平行于钻孔轴向为前提(刘允芳等， 2006； 唐书恒等， 2011； 袁文峰等， 2012)。

水压致裂地应力测量系统是将钻孔的某个测段封隔起来，并向该段钻孔注入高压水，致岩石破裂。

临界破裂压力为孔壁破裂处的集中应力加上岩石的抗拉强度Thf，即

Pb=3σ2-σ1+Thf

(1)

式中：Pb称为临界破裂压力，一般将裂缝处于临界闭合状态时的平衡压力称为瞬时关闭压力PS，它等于垂直裂缝面的最小水平主应力称σh，即

PS=σh

(2)

若再次对封隔段增压，使裂缝重新张开，便可获得裂缝重新张开的压力Pr。

最大水平主应力σH的计算公式

σH=3PS-Pr-P0

(3)

式中：P0为岩层的孔隙水压力。

垂直应力是根据上覆岩石的重量计算而得，即

σv=ρgd

(4)

式(4)中：ρ为岩石密度(kg·m-3)；g为重力加速度(m·s-2)，d为深度(m)。

1.2 现场测试方法与程序

1.2.1 测试系统

本次研究采用的是中国地质科学院地质力学研究所研制的SY-2010型单回路地应力测量系统完成研究区的地应力测量工作(马秀敏， 2006； 彭华等， 2007， 2011)，整个装置包括井上和井下两部分，具体组成部分如图 1所示。

图 1 SY-2010型单回路水压致裂地应力测量系统Fig. 1 Single-loop hydraulic fracturing in-situ stress measurement system SY-2010

图 2 研究区测量钻孔分布位置Fig. 2 Location of measuring drillings of the study area

为适应千米深孔地应力测量，对传统水压致裂装置进行了改进。SY-2010型为单回路系统，采用特殊密封钻杆作为压力管道，地面注压站通过高压管道向井下施加压力，确保测量系统具有一定的刚度，能够通过上覆松软土层； 井下系统通过推拉开关转换，可完成封隔器封隔和井段压裂试验任务。采用特殊结构的新型封隔器，耐压提高至70MPa； 采用新型井下高强度推拉开关，在回路中增设了防堵塞装置； 采用串列安装的印模器和定向器，一次下井即可进行多段印模。试验过程中的数据采集和记录，采用井上和井下两套记录装置同时进行。采用程序自动控制测量过程中的加载和卸载，消除了人为因素的影响，使得测试结果更加可靠。

1.2.2 封隔段压裂测量

水压致裂法现场测试步骤为(马秀敏， 2006)：

(1)选择试验段； (2)检验测量系统； (3)安装井下测量设备； (4)座封； (5)压裂； (6)关泵； (7)卸压。

测量过程中，每个测段一般进行4～6个回次，以获得合理的应力参数及准确判断岩石的破裂与裂缝的延展状况。

1.2.3 印模定向测量

地应力方向的确定采用定向印模法(马秀敏， 2006)，测量步骤为： (1)安装测试仪器； (2)增压膨胀； (3)卸压提钻； (4)确定基线方位； (5)绘制裂缝印痕； (6)计算破裂面走向(即是最大水平主应力的方向)。

2 水压致裂法地应力现场测试工程与测试结果

2.1 工程地质概况

淮南煤田潘集煤矿外围煤炭勘查区位于淮南市潘集区和凤台县境内，其中心东南距淮南市约14km。勘查区位于淮北平原南端，地面标高为20.136～23.795m，地势平坦，仅北部有明龙山低矮山丘。勘查区处于淮南复式向斜东段和陈桥-潘集背斜转折端的深部，北部起于明龙山断层，南部连于谢桥-古沟向斜。陈桥-潘集背斜轴部位于10勘查线附近，轴向为NWW向，背斜两翼的地层倾角较小且变化不大。但两翼的地层走向不同，南翼地层走向近EW～NWW向，北翼地层可能受构造影响走向呈近SN。研究区内构造以断裂为主，次级褶皱不发育。断层走向主要呈NW、近EW向，其次为NE、NWW向，且以正断层为主(图 2)(吴桁， 2017)。本区地层自上而下依次为：第四系、新近系、古近系、三叠系、二叠系孙家沟组、上石盒子组、下石盒子组、山西组、石炭系太原组、奥陶系、寒武系。地层岩性主要为各类砂岩、泥岩、煤和石灰岩以及冲积层砂土、黏土等。地应力测量钻孔揭露煤层埋深为1500m左右，测试深度之大在国内煤矿区尚属少见。

2.2 测点布置

结合研究区详查工程进度，选择14-2孔、6-2孔、24-5孔作为水压致裂测试孔(图 2)， 3个钻孔的基本情况见表 1。每个钻孔布置 9～10 个测段，共28个测段，所有测段均布置在煤系岩层中。其中1个钻孔深度超过1400m， 2个钻孔深度超过1500m，最大测点深度为1460m。各钻孔测段分布见表 2和图 3。

表 1 地应力测试钻孔基本情况表Table 1 Basic information of boreholes for in-situ stress test

表 2 地应力测试钻孔测段分布Table 2 Distribution of measuring sections of drillings for in-situ stress test

2.3 测量结果

由于受到风化作用影响，勘探孔上部岩体破碎较严重，不适合进行地应力测量，选择在钻孔的中下段进行，均位于二叠系上。本次测量共获得了3个孔28个测段的有效测量数据，各钻孔各测段压裂曲线和印模图见图 4、图 5。通过各孔的应力测试和岩芯情况分析，各地应力测试段岩石裂隙不发育，结构较完整。

图 3 各测量钻孔测段分布图Fig. 3 Distribution of measuring sections of measuring drillings a. 14-2孔； b. 6-2孔； c. 24-5孔

图 4 测量钻孔各测段压裂试验记录曲线Fig. 4 Fracturing test record curves of each section of measuring drillings a. 14-2孔； b. 6-2孔； c. 24-5孔

从测试数据来看，各个测段的数据都比较理想，均获得了标准的压力记录曲线和明确的破裂压力峰值，各个循环重复测量的规律性明显，测得的压裂参数也表现出良好的一致性。因此，测量结果较为可信。

通过对测试数据的系统整理和计算分析，得到了各个测段的Pb、Pr、Ps、P0、Thf等水压致裂参数。根据测得的压力参数及相关公式，得到最大、最小水平主应力值(σH、σh)及垂直主应力值(σv)，详见表 3。其中，σv值是根据上覆岩层的厚度计算得到的，计算中土层和岩层的容重分别取20kN·m-3和27kN·m-3。

3个钻孔(14-2、6-2、24-5)、28个测段的地应力测量结果如表 3所示。

3 地应力测量结果分析

3.1 潘集煤矿外围勘查区地应力量级和方向

由表 3所示的测试数据可以看出，潘集煤矿外围勘查区地应力有如下特征：

3.1.1 地应力量级

测段深度在466～1460m范围，地应力测值：最大水平主应力为13.62～54.58MPa，最小水平主应力为11.79～37.93MPa，依据地应力水平评价标准(中华人民共和国行业标准编写组， 2015)，结合岩石抗压强度测试结果(沈书豪等， 2017； 靳拓， 2018)，估算研究区岩石强度应力比均小于4，属于极高应力水平。钻孔所取岩芯呈饼状现象(图 6)，表明该区地应力较高。

3.1.2 地应力方向

在14-2孔、6-2孔、24-5孔共计28个测段中，采用印模器对其中的11个测段测定了最大水平主应力的方向。不同钻孔和不同测段的最大水平主应力方向存在一定差异，但11个测点均位于 NE～SW向，平均走向为NE64.22°，表明勘查区最大水平主应力方向为NEE向。这一结果与现代震源机制以及新构造活动所反映的区域构造应力场方向一致(刘东旺等， 2004； 倪红玉等， 2013； 薛凉等， 2018)。

表 3 淮南潘集煤矿外围水压致裂地应力测量结果Table 3 Results of in-situ stress measurement using hydraulic fracturing technique in Panji coal mine

表 4 地应力比值计算结果Table 4 Calculation results of in-situ stress ratio

3.1.3 勘查区构造应力分析

勘查区实际水平地应力值与静岩派生地应力的比值(σH/σ0)在2.96～4.06之间，构造地应力σg(σg=σH-σ0)在9.43～41.44MPa之间，勘查区原岩应力状态以水平应力为主导。

3.2 地应力随埋深的变化规律

将所测的3个钻孔按深度进行组合，得到潘集煤矿外围勘查区地应力随埋深变化曲线(图 7)。对最大水平主应力和最小水平主应力进行了回归分析，得到

图 5 测量钻孔各测段印模图 a. 14-2孔； b. 6-2孔； c. 24-5孔Fig. 5 Impression results of each measuring section of the measuring drillings for in-situ stress test

图 6 14-2孔1468～1472m深度饼状岩芯Fig. 6 Discal core with depth of 1468～1472m in No. 14-2 hole

图 7 潘集外围勘查区地应力随埋深变化Fig. 7 Variation of in-situ stress with burial depth in the exploration area surrounding Panji coal mine

σH=0.0361D-2.9948(R2：0.9369)，

σh=0.0293D-2.4481(R2：0.9313)

(D为埋深，单位为m)

由图 7可以看出，实测地应力值随着深度的增加而增大， 3个钻孔的σH、σh均随深度变化成近似线性增长的关系。

3.3 潘集煤矿外围勘查区地应力场类型

如图 7所示，在埋深450m以深，垂直应力小于最大水平主应力，但大于最小水平主应力，地应力状态表现为σH>σv>σh； 在埋深1000m以深，垂直应力小于水平主应力，地应力状态表现为σH>σh>σv，由此表明450m以深表现为构造应力场型，且随深度增加，构造应力显现也增大，这是导致深部井巷围岩挤压变形破坏严重现象的主要原因(袁亮， 2006； 刘泉声等， 2010； 田梅青等， 2012)。

3.4 水平应力与垂直应力比值的分布特征

地应力的侧压系数反映了水平地应力的相对大小和构造应力的水平，是地下工程设计和围岩稳定性分析的基本参数之一。从表 4的计算结果可知：

(1)勘查区最大水平主应力σH与垂直应力σv的比值(K1)分布范围为1.03～1.44，平均比值为1.28，表明研究区地应力状态以水平应力为主导。

(2)最小水平主应力σh与垂直应力σv的比值(K2)范围为0.87～1.16，平均为1.04，两者比较接近。测试范围内无明显分布规律。

(3)最大水平主应力σH与最小水平主应力σh的比值(K3)在整个勘查区基本稳定，为1.12～1.53，平均为1.24。

4 结 论

(1)采用水压致裂法对淮南煤田潘集煤矿外围(深部)勘查区完成了3个钻孔、共计28个测段的地应力现场实测， 3个钻孔深度均超过 1400m，最大测点深度为1460m，这种地应力测试深度在煤矿系统尚不多见。

(2)获得了勘查区地应力状态及其分布规律。主要表现在： ①地应力量级： 466～1460m深度范围σH值为13.62～54.58MPa，σh值为11.79～37.93MPa； ②最大水平主应力方向为NEE向； ③实测地应力值表现出随着深度增加成近似线性增长的关系； ④σH与σv的比值为1.03～1.44，平均比值为1.28，表明勘查区地应力状态以水平应力为主导。

(3)在埋深450m以深地应力场类型表现为构造应力场型，且随深度增加，构造应力显现也增大。这是导致深部井巷围岩变形破坏严重的主要原因。