水压致裂法在断层防水煤柱合理留设中的应用

1、原位水压致裂法在断层防水煤柱合理留设中的应用刘荣茂 ，马积福（太原东山煤矿有限责任公司）摘要：煤岩的力学参数多在实验室获得，然而由于煤层的强度低，采样过程中的扰动使得煤层的强度参数较原位大为降低，不能反映煤层原岩的真实情况，选用原位水压致裂测试方法，获得符合实际情况的煤层的抗张强度Kp值，为今后断层、陷落柱的防隔水煤柱的留设提供了依据。关键词：煤层，抗张强度，原位，水压致裂，测试，应用1. 引言位于太行山西部的华北型矿区太原东山煤矿，已有近80年的开采历史，是一个受各种水害威胁严重且水文地质条件较复杂的大水矿井。自建矿以来曾发生过14次水量大于10m3/h突水事故。较大突水的水源为奥陶系岩溶水

2、，突水通道主要为断层和陷落柱。特别是1982年一采区六斜坡下山探巷揭露F12、F13断层时发生突水，初始水量达520.82m3/h，至今涌水量仍有350m3/h。留设足够的防水煤柱成为东山煤矿主要的防治水方法之一。井田内有17条较大的断层，以大断层为界将井田分割成7个采区。本矿按照矿井水文地质规程对这些大断层留设了防水煤柱，依据的公式为 20m。式中：L留设防水煤柱的宽度（m）；K安全系数（取25）；M煤层厚度或采高（m）；P水头压力（kgf/cm2）；KP煤的抗张强度（kgf/cm2）。由于煤层抗张强度难以获得，多年来一直沿用勘探期间的实验室所测试的数据Kp=0.6 kgf/cm2作为计算参

3、数，留设的防水煤柱宽度都在80200m，因本矿现已全部转入下山开采，随着采深的增加，煤柱的宽度还在增加。过大的煤柱既浪费了煤炭资源，又增加了掘采比，加大了成本，更缩短了矿井的服务年限。煤柱过宽的主要原因就是参数Kp选取不当（过小）。于是，科学的获得Kp值，成为合理留设煤柱的关键。煤岩的力学参数多在实验室获得，然而由于煤层的强度低，采样过程中的扰动使得煤层的强度参数较原位大为降低，不能反映煤层原岩的真实情况，因此选用合适的原位测试方法，获得符合实际情况的煤岩的强度数据对煤柱计算具有很大的意义。为此，我们采用了原位水压致裂方法，获得15#煤层的Kp值较实验室的数据大10倍以上，为今后断层、陷落柱的

4、防隔水煤柱的留设提供了依据。2. 原位水压致裂强度测试的基本原理及适用条件2.1 适用条件原位水压致裂测试地应力的基本假设条件是：l 岩石是均匀脆性和各向同性的线弹性体；l 岩石为多孔介质时，注入的液体按达西定律在孔隙中流动；l 三个主应力方向之一与钻孔轴平行。由于本次仅是在井下顺层测试煤层的抗张强度，第二、三条假设与本测试无关。井下考察证实东山煤矿的无烟煤结构完好，硬度大，无层间滑动现象，即正常地段的构造破坏可以忽略不计，符合水压致裂测试条件。2.2 测试原理在需要测量的区段上，用两个可膨胀的橡胶封隔器封隔钻孔的一段，然后对封隔段施加液压。在水压致裂过程中，随着封隔段内液体压力的逐渐增加，将

5、导致孔壁有效切向压应力逐渐减小，并转变为张应力。倘若切向有效张应力等于或大于岩石的抗张强度（T），就会在孔壁上产生破裂。抗张强度海姆森公式：式中：T为抗张强度，Pb为初张压力，Pr为重张压力。水压致裂地应力测试仪器由三部分即：封隔系统、加压系统和数据采集系统组成，如图1所示。封隔器封隔器致裂室高压油管（接封隔器）高压水管（接钻杆）高压水泵高压油泵数据采集仪传感器钻杆花管图1 原位水压致裂应力测试装置示意图致裂过程是：通过钻杆将分割器送入孔内设定位置，然后向封隔器内施加一定的液体压力，使它膨胀紧贴在井壁上，从而形成封隔空间。再向封隔器之间的压裂段内注入液体，注满后液体压力将不断上升，直到孔壁破裂

6、，此时液压将突然下降至某数值，然后关闭压力泵。如此循环数次，数据采集系统将全程采集压裂段内液压的变化，根据压力曲线可以求解所需参数。封隔段钻孔横截面的受力情况、破裂过程如图2所示（SH、Sh分别代表最大和最小水平主应力）。密封孔段：用封隔器封隔某一孔段，这时对封隔段尚未注射液压，因此孔段横截面未承受液压作用，泵压显示为零值。施加液压：封隔孔段横截面承受逐渐增强的液压作用，泵压持续上升。岩石破裂：在足够大的液压作用下，沿阻力最小路径方向上出现破裂，此时泵压读数为Pb。破裂后致泵压急速下降，然后保持裂缝张开或扩展时的压力。关泵：关泵时，泵压迅速下降，其后，随着压裂液渗入地层泵压缓慢下降，这时便得到

7、裂缝处于临界闭合状态时的平衡力。卸压：封隔孔段横截面所承受液压作用被解除后，裂缝完全闭合，泵压记录下降到零值。重复上述程序35次，便得到图2曲线的压力周期变化部分。第二次及其以后的循环所得到的最大压力为重张压力Pr。 图2 典型条件下钻孔壁横截面受力情况、破坏过程3. 51519工作面原位水压致裂测试工程及其结果该工作面15#煤层总体走向近南北，倾向约正西。地面标高970m975m，煤层底板标高740m775m，埋藏深度约230m。切眼外侧F16断层H=85m 180°200°70°。本测试工程位于断层的下盘。表1 东山煤矿F16断层防水煤柱煤层强度钻孔参数表孔号

8、孔径方位角°倾角°孔深（m）S156158+537.5S256120+1080.5S356184031S456172058S589135+1080.5测点处煤层坚硬、完整，煤层的原生构造较完好，煤壁光滑，测点及其附近煤层和顶板干燥。总之，煤层具备良好的测试条件。表2 51519工作面F16断层煤柱强度水压致裂测试成果孔号测点号Pb(MPa)Pr(MPa)T(MPa)测点深度mS13.442.630.81213.092.130.9614.43.452.980.47104.273.600.677.8S37.306.810.496.4S44.053.360.69334.362.0

9、41.32264.401.441.96194.053.110.9613S57.586.750.83647.85 7.100.74453.543.010.53355.414.730.68256.74 5.940.8015测试钻窝位于51519工作面运输巷，测试钻孔都位于F16断层防水煤柱内，钻孔的参数如表1所示。5个钻孔共布置了16个致裂段，获得了32组测试数据，其中S2孔报废，另有2个致裂点的数据不合理，其余14个致裂点的数据有效。各有效致裂点的致裂结果如表4所示。表3 国内典型煤矿区煤柱留设选用参数表煤矿区抗张强度MPa参数来源淮北矿区0.2经验峰峰矿区0.46经验淄博矿区0.81.2经验连

10、邵矿区0.52.7计算肥城矿区0.51.0经验徐州矿区突水系数太原东山0.06实验室从表2可以看出，破裂压力Pb最大值为7.85PMa，最小为3.09MPa，平均值为4.97MPa，最大破裂压力差为4.76MPa。重张压力Pr最大值为7.10MPa，最小为1.44MPa，平均为3.97MPa。抗张强度最大值为1.96MPa，最小值为0.47MPa，平均值为0.85MPa。其中S3孔测点的抗张强度偏低，其主要原因是因为先前完成测试的S1孔测点V的影响，该点的抗张强度应与S1孔测点V的相当，约为0.67。F16断层煤柱的抗张强度尽管变化较大，但绝大多数数据都在0.62MPa以上，因此建议仍采用0.

11、62MPa为F16断层煤柱的抗张强度。4. 结束语我国关于抗张强度的选取多采用室内实验室数据的1/71/20。由于样品在采取时受到了很大的扰动，试验数据本来就很小，再经过折减，使得强度的取值往往都不足0.1MPa，和实际情况不符合，因此很多煤矿都根据自己煤矿防治水的情况采用了经验数据，如表3所示。其中肥城矿区对于煤柱水压高于3MPa时煤的抗张强度采用0.5MPa，否则采用1.0MPa。本次试验结果，抗张强度的试验众数在0.8MPa附近，与其它矿区相比数据处于中间状态。 所测煤层抗张强度参数Kp选取0.62MPa现已应用在51519、51523、71503等工作面的断层防水煤柱的留设中，并将原来Kp采用0.06MPa计算所留设的煤柱缩小了1/22/3。仅51519一个工作面所留设的煤柱由原来的120m缩小到60m，解放煤炭储量85050吨。目前，该工