《水压致裂法测试原地应力的研究与应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水压致裂法测试原地应力的研究与应用.docx（6页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、水压致裂法测试原地应力的研究与应用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 10076921XX15008201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13 ,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
2、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个假设为前提岩石是线弹性和 各向同性的；岩石是完整的，非渗透的；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1和s2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12圆孔壁上的应力集中应力 1和2作用。740this.width740 borderundefined 式中 r为 M 点 的径向应力， 叨切向应力，pr妁剪应力，r为M点到圆 孔中
3、心的距离；9为1方向起反时针量测的角度。当ra时，即为圆孔壁上的应力状态OT0 e b -12仃2t成cos28TrOO 2 由式2可得由如图i所示的孔壁A、B两点及其对称处 A、B的应力集中分别为oAtrA 3。2-。13 oBoB 3。1-。2 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Pb3o2-olThf5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
4、5将变为Pb3S2-siThf-P06此处的S2、si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Pb2Sll-SHThf- 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 Ps,它等于垂直裂缝面的最小水平主应力，即PsSh 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Pro由于此时的岩石已经破裂，抗张强度 Thf0,这时即可把7式改写成Pb3Sh-sH-P0 9用7式减9式即可得到岩石的原地抗张强度
5、ThfPb-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SH3PS-Pr-P0 11垂直应力可根据上覆岩石的重量来计算 Spgd 12 式中P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
6、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由钻孔。取由照相底片进行
7、显影和定影，通过底片直接读生钻孔 的倾角、倾向和印模器的基线方位。并根据基线方位算由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PbPb地面PH PrPr地面ph psps地面PH 其中Pb、Pr、Ps为测试部位的实际量值，压裂曲线中的Pb、Pr、Ps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。740this.width740 boTderu
8、ndMned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。 如此分别测由各测试段的测量结果。如下表 740this.width740 borderundefined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030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。