水压致裂法测试原地应力的研究与应用

(内蒙古伊泰煤炭股份有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000)
摘 要：文章以红庆河区乃马岱井田为例，着重介绍了水 压致裂法测试原地应力基本原理、测试方法及良好的技术效果，为煤矿巷道的施工设计提供 了可靠的依据。
关键词：水压致裂法；原地应力；测试方法；定向印模法
中图分类号：TD263  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2009)15—0082—01

红庆河区乃马岱 井田位于东胜煤田南缘的中部区，其构造形态为一向西倾斜的单斜构造，倾角一般为1°～3 ° ，井田内含煤地层为侏罗系中统延安组。 为了给矿井设计提供基础数据，在井田的主检孔 和地应力测量孔2个钻孔中采用水压致裂技术进行了原地应力测量。 
1 测量原理

水压致裂原地应力测量是以弹性力学为基础，并以下面3个假设为前提：①岩石是线弹性和 各向同性的；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和孔轴平行。 

在此前提下，水压致裂的力学模型可简化为一个平面应变问题，如图1所示。

根据弹性力学原理，在作用有两向主应力σ1和σ2的无限大平板内，有一半径为a的圆孔， 则圆孔外任何一点M处的应力为：

(1)有圆孔的无限大平板受到图1(2)圆孔壁上的应力集中应力σ₁和σ₂作用。

式中σ_r为M点的径向应力，σ_θ为切向应力，τ_rθ为剪应力，r为M点到圆孔中 心的距离；θ为σ₁方向起反时针量测的角度。当r=a时，即为圆孔壁上的应力状态：
  σ_r=0
  σ_θ=(σ₁+σ₂)-2(σ₁-σ₂)cos2θ
  τ_rθ=0    (2)

由式(2)可得出如图1所示的孔壁A、B两点及其对称处(A′、B′)的应力集中分别为：

σ_A=σ_A"=3σ₂-σ₁     (3)

σ_B=σ_B"=3σ₁-σ₂   (4)
液压大于孔壁上岩石所能承受的应力时，将在最小切向应力的位置上，即A点及其对称点A′ 处产生张破裂。并且破裂将沿着垂直于最小主应力的方向扩展。此时把孔壁产生破裂的外加 液压Pb称为临界破裂压力。临界破裂压力等于孔壁破裂处的应力集中加上岩石的抗张强度 Thf，即：
  P_b=3σ₂-σ₁+T_hf     (5)
若考虑岩石的孔隙压力Po，将有效应力换成区域主应力，则式(5)将变为：
  P_b=3S₂-S₁+T_hf-P₀    (6)
此处的S₂、S₁分别为原地应力场中的最小和最大水平主应力。在垂直钻孔中测量地应力 时，常将最大、最小水下主应力分别写为S_H和S_K，即：
  P_b=2S_h-S_H+T_hf-P₀    (7)
孔壁破裂后，若继续注液增压，裂缝将向纵深处扩展。若马上停止注液增压，裂缝将迅速趋 于闭合。通常把裂缝处于临界闭合状态时的平衡压力称为瞬时关闭压力P_s，它等于垂直裂 缝面的最小水平主应力，即：
  P_s=S_h      (8)
如果再次对封隔段增压，使裂缝重新张开时，即可得到裂缝重新张开的压力Pr。由于此时的 岩石已经破裂，抗张强度T_hf=0，这时即可把(7)式改写成：
  P_b=3S_h-S_H-P₀      (9)
用(7)式减(9)式即可得到岩石的原地抗张强度：
  T_hf=P_b-P_r      (10)
根据(7)、(8)、(9)式又可得到求取最大水平主应力SH的公式：
  S_H=3P_s-P_r-P₀     (11)
垂直应力可根据上覆岩石的重量来计算：
  S=ρgd   (12)
式中ρ为岩石密度，g为重力加速度，d为深度。
以上是水压致裂法地应力测量的基本原理及有关参数的计算方法。
2 测试方法

根据钻孔的具体地质与岩性情况，尽可能把测试段均安排在钻孔所见煤层的上、下部，即靠 近巷道工程开挖部位。本次测量设备采用地质力学研究所研制的SY-2007单回路水压致裂地 应力测量系统，用一条高压管向井下施压，井下通过推拉开关进行转换，分别使封隔器座封 和井段压裂。

水压致裂原地应力测量方法：利用一对可膨胀的封隔器在选定的测量深度封隔一段钻孔 ，然后通过泵入流体对该试验段增压，同时利用数据采集器记录压力随时间的变化。对实测 记录曲线进行分析，得到特征压力参数，再根据相应的理论计算公式，就可得到测点处的最 大和最小水平主应力的量值以及岩石的水压致裂抗张强度等岩石力学参数。

在封隔段压裂测量之后即可进行裂缝方位的测定，以便确定最大水平主压应力的方向。常用 的方法是定向印模法，先将接有定向仪的印模器放到水压致裂应力测量段的深度，然后通过 增压系统将印模器膨胀，施加足够的高压，促使孔壁已有裂缝重新张开以便半硫化橡胶挤入 ，并保持相应的时间，印模器表面就印制了与裂缝相对应的凸起印迹。卸掉印模器的压力并 将其提出钻孔。取出照相底片进行显影和定影，通过底片直接读出钻孔的倾角、倾向和印模 器的基线方位。并根据基线方位算出所测破裂面的走向(即最大水平主压应力的方向)、倾向 和倾角。
3 测试结果

在计算最大水平主应力时，需要岩层的孔隙压力值，在绝大多数情况下，孔隙压力基本上等 于静水位压力。因此，在水压致裂法应力测量过程中，通常以测量段所处地下水位的静水压 力PH代替岩层的孔隙压力Po，即有：

P_b=P_b地面+P_H P_r=P_r地面+P_H P_s=P_s地面+P_H

其中P_b、P_r、P_s为测试部位的实际量值，压裂曲线中的P_b、P_r、P_s为地面记录 值。 

测试段的测量结果可代表巷道围岩的原岩应力状态，测试曲线见图2。

印模测试：为确定该孔的主应力方向，根据对压裂测试曲线的全面分析，我们选定了钻孔的 152.73m、674.57m和712.75m共3个测段进行了印模、定向。3个破裂面的方向分别为NE6 5.0°、NE54.0°和NE61.0°。
如此分别测出各测试段的测量结果。如下表：

水压致裂地应力测量结果表明，红庆河区乃马岱井田勘探区地应力大小明显受岩石完整程度 、局部构造的影响而差异较大。测区地应力属一般应力水平，稍偏高。从地应力角度考虑， 当最大水平主应力方向与采矿巷道轴线方向夹角为0°～30°时，有利于巷道稳定。
5 结束语

水压致裂法地应力测量是20世纪70年代发展起来的能够测量地壳深部应力可靠而有效的方法 。该 方法无需知道岩石的力学参数就可获得地层中现今地应力的多种参量，并具有操作简便、可 在任意深度进行连续或重复测试、测量速度快、测值稳定可靠等特点，因此近年来发展很快 ，并取得了大量的成果。