水压致裂地应力测量技术在成庄煤矿四盘区的应用.pdf

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1、18煤矿支护2014年第2期石家庄中煤杯参评论文水压致裂地应力测量技术在成庄煤矿四盘区的应用王江斌[晋城无烟煤矿业集团公司成庄煤矿，山西晋城048021]摘要成庄煤矿四盘区井下巷道变形严重，影响安全生产。为了弄清巷道变形破环机制和特征，采用水压致裂法对四盘区进行了详细的地应力学测量工作，为巷道支护设计提供详细的基础参数。实践表明，地应力的测试有利于支护设计，为改善巷道严重变形的现状提供了有力地帮助。关键词水压致裂法地应力测量法设计，可靠性较差。在巷道掘进和回采过1概述程中，巷道变形量很大，给回采和巷道维护带来极大困难。1．1地应力地应力是指地壳在各种运动过程中和自2测量技术和

2、设备重作用下，岩体在天然条件下产生的内部应力。地应力是引起采矿岩体开挖工程变形和2．1基本原理破环的根本作用力，是确定工程岩土力学属对于水压致裂平面应力测量，它的三个性，进行围岩稳定性分析，实现岩土工程开基本假设条件为：挖设计和决策科学化的必要前提。①岩石呈线弹性且各向同性；成庄煤矿四盘区采用水压致裂法地应力②岩石是完整的、非渗透性的；测试技术，与其它方法相比，有以下优点：③岩石中主应力之一的方向和钻孑L轴①能测量较深处的绝对应力状态；平行。②它是最直接的测量方法，无需了解和测定岩石的弹性模量，甚至连岩石的抗张强度也可以用水压曲线求出；③水压致裂测量应力的空间范围较大，Ol受

3、局部因素的影响较小；④不需要套芯工序，可利用其它工程的勘探孔进行压裂；⑤井下测量速度快，成功率较高。1．2矿井概况成庄煤矿现开采3号煤层，采煤方法为图1水压致裂应力原理图长壁综采。其井田分为一、二、三、四、五因此，水压致裂的力学模型可简化为一共五个盘区，其中四盘区是近年来新的采个平面问题，即相当于两个相互垂直的水平区。由于没进行过详细的地质力学测量工应力a和o。作用在一个带圆孔的无限大平作，巷道支护设计主要靠工程类比和经验方面上(图1)。根据弹性力学计算可知圆孔2014年第2期煤矿支护19孔壁夹角为90。的A、B两点的应力分别为：dv—H(8)dA一362一ol；oB一3ol

4、—d2(1)式中：7一上覆岩层容重，kN／m。；若d>o2，则dA

5、)Pb一362一d1+T(2)式中：P一读数仪上的瞬时关闭压若考虑岩石中所存在的孔隙水压力P。，力，MPa；将有效应力换为区域主应力，上式将变为：P一重张压力，MPa；Pb一36h—oH+T—Po(3)P。一孔隙水压力，MPa；式中：6h一原地应力场中的最小水平主应一水的容重，kN／m。；力，MPa；h一测点到读数仪的垂直距离，m。a一原地应力场中的最大水平主应力，MPa。在实际测量中，被封隔器封闭的孔段，在孔壁破裂后，若继续注液增压，裂隙将向纵深处扩展，若马上停止注压并保持压裂系统封闭，裂隙将立即停止延伸，在地应力场的作用下被高压液体涨破的裂隙趋于闭合，把保持裂隙张开时的平

6、衡压力称为瞬时关闭压力P，它等于垂直裂隙面的最小水平主应力，即：P一oh(4)如果再次对封闭段注液增压，使破裂重新张开时，即可得到破裂重新张开的压力图2水压致裂地应力测量示薏图P，由于此时岩石已经破裂，抗张强度T一地应力测量在现场巷道围岩钻孔中进行0，则：(图2)。在钻好的钻孔中先用钻杆将一对橡P一3oh一口H—P0(5)胶封隔器送到钻孔的指定位置，然后注入高用公式(3)减去公式(5)即可在现场压水，将封隔器涨起，对两个封隔器之间的得到岩石的抗拉强度：岩孔封闭。对封隔器之间的岩孑L进行高压注T—Pb—P(6)水，直到将围岩压裂。压裂的方向即为最大根据公式(4)、公式(5)又可

7、得到求水平应力方向。为了得到水压裂缝的形态及取最大水平主应力a的公式：方位，在压裂后需进行印模，方法是把带有dH一3P一P一P0(7)定向罗盘的印模胶筒放在已压裂的孔段，然(4)式和(7)式是平面水压致裂应力后给印模器注水加压，压力的大小和加压时测量中的重要公式，而垂直应力ov可根据间一般根据压裂参数设定，在印模器外层涂上覆岩石的重量来计算：有半硫化橡胶，具有一定塑性，因此，当印20煤矿支护2014年第2期模器注水膨胀，压力达到一定数值后，其外选择顶板相对完整段。此次六个测站基本可层橡胶就挤入压裂缝隙中