水压致裂法测试原地应力的研究与应用

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1、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(XX)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

2、，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。 　　740)this.wi

3、dth=740"border=undefined> 　　式中σr为M点的径向应力，σθ为切向应力，τrθ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： σr=0 　　σθ=(σ1+σ2)-2(σ1-σ2)cos2θ τrθ=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： σA=σA'=3σ2-σ1(3) σB=σB'=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

4、。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： Pb=3σ2-σ1+Thf(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： 　　Pb=3S2-S1+Thf-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SH和SK，即： 　　Pb=2Sh-SH+Thf-P0(7) 　　孔壁破裂后，若继续注液增压，裂缝将向纵深处扩

5、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Ps，它等于垂直裂缝面的最小水平主应力，即： Ps=Sh(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Thf=0，这时即可把(7)式改写成： Pb=3Sh-SH-P0(9) 　　用(7)式减(9)式即可得到岩石的原地抗张强度： Thf=Pb-Pr(10) 　　根据(7)、(8)、(9)式又可得到求取最大水平主应力SH的公式： SH=3Ps-Pr-P0(11) 垂直应力可根

6、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-XX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

7、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，