水壓致裂法在斷層防水煤柱合理留設(shè)中的應(yīng)用

1、原位水壓致裂法在斷層防水煤柱合理留設(shè)中的應(yīng)用劉榮茂 ，馬積福（太原東山煤礦有限責(zé)任公司）摘要：煤巖的力學(xué)參數(shù)多在實(shí)驗(yàn)室獲得，然而由于煤層的強(qiáng)度低，采樣過程中的擾動(dòng)使得煤層的強(qiáng)度參數(shù)較原位大為降低，不能反映煤層原巖的真實(shí)情況，選用原位水壓致裂測(cè)試方法，獲得符合實(shí)際情況的煤層的抗張強(qiáng)度Kp值，為今后斷層、陷落柱的防隔水煤柱的留設(shè)提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：煤層，抗張強(qiáng)度，原位，水壓致裂，測(cè)試，應(yīng)用1. 引言位于太行山西部的華北型礦區(qū)太原東山煤礦，已有近80年的開采歷史，是一個(gè)受各種水害威脅嚴(yán)重且水文地質(zhì)條件較復(fù)雜的大水礦井。自建礦以來曾發(fā)生過14次水量大于10m3/h突水事故。較大突水的水源為奧陶系巖溶水

2、，突水通道主要為斷層和陷落柱。特別是1982年一采區(qū)六斜坡下山探巷揭露F12、F13斷層時(shí)發(fā)生突水，初始水量達(dá)520.82m3/h，至今涌水量仍有350m3/h。留設(shè)足夠的防水煤柱成為東山煤礦主要的防治水方法之一。井田內(nèi)有17條較大的斷層，以大斷層為界將井田分割成7個(gè)采區(qū)。本礦按照礦井水文地質(zhì)規(guī)程對(duì)這些大斷層留設(shè)了防水煤柱，依據(jù)的公式為 20m。式中：L留設(shè)防水煤柱的寬度（m）；K安全系數(shù)（取25）；M煤層厚度或采高（m）；P水頭壓力（kgf/cm2）；KP煤的抗張強(qiáng)度（kgf/cm2）。由于煤層抗張強(qiáng)度難以獲得，多年來一直沿用勘探期間的實(shí)驗(yàn)室所測(cè)試的數(shù)據(jù)Kp=0.6 kgf/cm2作為計(jì)算參

3、數(shù)，留設(shè)的防水煤柱寬度都在80200m，因本礦現(xiàn)已全部轉(zhuǎn)入下山開采，隨著采深的增加，煤柱的寬度還在增加。過大的煤柱既浪費(fèi)了煤炭資源，又增加了掘采比，加大了成本，更縮短了礦井的服務(wù)年限。煤柱過寬的主要原因就是參數(shù)Kp選取不當(dāng)（過小）。于是，科學(xué)的獲得Kp值，成為合理留設(shè)煤柱的關(guān)鍵。煤巖的力學(xué)參數(shù)多在實(shí)驗(yàn)室獲得，然而由于煤層的強(qiáng)度低，采樣過程中的擾動(dòng)使得煤層的強(qiáng)度參數(shù)較原位大為降低，不能反映煤層原巖的真實(shí)情況，因此選用合適的原位測(cè)試方法，獲得符合實(shí)際情況的煤巖的強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)煤柱計(jì)算具有很大的意義。為此，我們采用了原位水壓致裂方法，獲得15#煤層的Kp值較實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)大10倍以上，為今后斷層、陷落柱的

4、防隔水煤柱的留設(shè)提供了依據(jù)。2. 原位水壓致裂強(qiáng)度測(cè)試的基本原理及適用條件2.1 適用條件原位水壓致裂測(cè)試地應(yīng)力的基本假設(shè)條件是：l 巖石是均勻脆性和各向同性的線彈性體；l 巖石為多孔介質(zhì)時(shí)，注入的液體按達(dá)西定律在孔隙中流動(dòng)；l 三個(gè)主應(yīng)力方向之一與鉆孔軸平行。由于本次僅是在井下順層測(cè)試煤層的抗張強(qiáng)度，第二、三條假設(shè)與本測(cè)試無關(guān)。井下考察證實(shí)東山煤礦的無煙煤結(jié)構(gòu)完好，硬度大，無層間滑動(dòng)現(xiàn)象，即正常地段的構(gòu)造破壞可以忽略不計(jì)，符合水壓致裂測(cè)試條件。2.2 測(cè)試原理在需要測(cè)量的區(qū)段上，用兩個(gè)可膨脹的橡膠封隔器封隔鉆孔的一段，然后對(duì)封隔段施加液壓。在水壓致裂過程中，隨著封隔段內(nèi)液體壓力的逐漸增加，將

5、導(dǎo)致孔壁有效切向壓應(yīng)力逐漸減小，并轉(zhuǎn)變?yōu)閺垜?yīng)力。倘若切向有效張應(yīng)力等于或大于巖石的抗張強(qiáng)度（T），就會(huì)在孔壁上產(chǎn)生破裂。抗張強(qiáng)度海姆森公式：式中：T為抗張強(qiáng)度，Pb為初張壓力，Pr為重張壓力。水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試儀器由三部分即：封隔系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。封隔器封隔器致裂室高壓油管（接封隔器）高壓水管（接鉆桿）高壓水泵高壓油泵數(shù)據(jù)采集儀傳感器鉆桿花管圖1 原位水壓致裂應(yīng)力測(cè)試裝置示意圖致裂過程是：通過鉆桿將分割器送入孔內(nèi)設(shè)定位置，然后向封隔器內(nèi)施加一定的液體壓力，使它膨脹緊貼在井壁上，從而形成封隔空間。再向封隔器之間的壓裂段內(nèi)注入液體，注滿后液體壓力將不斷上升，直到孔壁破裂

6、，此時(shí)液壓將突然下降至某數(shù)值，然后關(guān)閉壓力泵。如此循環(huán)數(shù)次，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將全程采集壓裂段內(nèi)液壓的變化，根據(jù)壓力曲線可以求解所需參數(shù)。封隔段鉆孔橫截面的受力情況、破裂過程如圖2所示（SH、Sh分別代表最大和最小水平主應(yīng)力）。密封孔段：用封隔器封隔某一孔段，這時(shí)對(duì)封隔段尚未注射液壓，因此孔段橫截面未承受液壓作用，泵壓顯示為零值。施加液壓：封隔孔段橫截面承受逐漸增強(qiáng)的液壓作用，泵壓持續(xù)上升。巖石破裂：在足夠大的液壓作用下，沿阻力最小路徑方向上出現(xiàn)破裂，此時(shí)泵壓讀數(shù)為Pb。破裂后致泵壓急速下降，然后保持裂縫張開或擴(kuò)展時(shí)的壓力。關(guān)泵：關(guān)泵時(shí)，泵壓迅速下降，其后，隨著壓裂液滲入地層泵壓緩慢下降，這時(shí)便得到

7、裂縫處于臨界閉合狀態(tài)時(shí)的平衡力。卸壓：封隔孔段橫截面所承受液壓作用被解除后，裂縫完全閉合，泵壓記錄下降到零值。重復(fù)上述程序35次，便得到圖2曲線的壓力周期變化部分。第二次及其以后的循環(huán)所得到的最大壓力為重張壓力Pr。 圖2 典型條件下鉆孔壁橫截面受力情況、破壞過程3. 51519工作面原位水壓致裂測(cè)試工程及其結(jié)果該工作面15#煤層總體走向近南北，傾向約正西。地面標(biāo)高970m975m，煤層底板標(biāo)高740m775m，埋藏深度約230m。切眼外側(cè)F16斷層H=85m 180°200°70°。本測(cè)試工程位于斷層的下盤。表1 東山煤礦F16斷層防水煤柱煤層強(qiáng)度鉆孔參數(shù)表孔號(hào)

8、孔徑方位角°傾角°孔深（m）S156158+537.5S256120+1080.5S356184031S456172058S589135+1080.5測(cè)點(diǎn)處煤層堅(jiān)硬、完整，煤層的原生構(gòu)造較完好，煤壁光滑，測(cè)點(diǎn)及其附近煤層和頂板干燥?？傊?，煤層具備良好的測(cè)試條件。表2 51519工作面F16斷層煤柱強(qiáng)度水壓致裂測(cè)試成果孔號(hào)測(cè)點(diǎn)號(hào)Pb(MPa)Pr(MPa)T(MPa)測(cè)點(diǎn)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測(cè)試鉆窩位于51519工作面運(yùn)輸巷，測(cè)試鉆孔都位于F16斷層防水煤柱內(nèi)，鉆孔的參數(shù)如表1所示。5個(gè)鉆孔共布置了16個(gè)致裂段，獲得了32組測(cè)試數(shù)據(jù)，其中S2孔報(bào)廢，另有2個(gè)致裂點(diǎn)的數(shù)據(jù)不合理，其余14個(gè)致裂點(diǎn)的數(shù)據(jù)有效。各有效致裂點(diǎn)的致裂結(jié)果如表4所示。表3 國內(nèi)典型煤礦區(qū)煤柱留設(shè)選用參數(shù)表煤礦區(qū)抗張強(qiáng)度MPa參數(shù)來源淮北礦區(qū)0.2經(jīng)驗(yàn)峰峰礦區(qū)0.46經(jīng)驗(yàn)淄博礦區(qū)0.81.2經(jīng)驗(yàn)連

10、邵礦區(qū)0.52.7計(jì)算肥城礦區(qū)0.51.0經(jīng)驗(yàn)徐州礦區(qū)突水系數(shù)太原東山0.06實(shí)驗(yàn)室從表2可以看出，破裂壓力Pb最大值為7.85PMa，最小為3.09MPa，平均值為4.97MPa，最大破裂壓力差為4.76MPa。重張壓力Pr最大值為7.10MPa，最小為1.44MPa，平均為3.97MPa?？箯垙?qiáng)度最大值為1.96MPa，最小值為0.47MPa，平均值為0.85MPa。其中S3孔測(cè)點(diǎn)的抗張強(qiáng)度偏低，其主要原因是因?yàn)橄惹巴瓿蓽y(cè)試的S1孔測(cè)點(diǎn)V的影響，該點(diǎn)的抗張強(qiáng)度應(yīng)與S1孔測(cè)點(diǎn)V的相當(dāng)，約為0.67。F16斷層煤柱的抗張強(qiáng)度盡管變化較大，但絕大多數(shù)數(shù)據(jù)都在0.62MPa以上，因此建議仍采用0.

11、62MPa為F16斷層煤柱的抗張強(qiáng)度。4. 結(jié)束語我國關(guān)于抗張強(qiáng)度的選取多采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的1/71/20。由于樣品在采取時(shí)受到了很大的擾動(dòng)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)本來就很小，再經(jīng)過折減，使得強(qiáng)度的取值往往都不足0.1MPa，和實(shí)際情況不符合，因此很多煤礦都根據(jù)自己煤礦防治水的情況采用了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表3所示。其中肥城礦區(qū)對(duì)于煤柱水壓高于3MPa時(shí)煤的抗張強(qiáng)度采用0.5MPa，否則采用1.0MPa。本次試驗(yàn)結(jié)果，抗張強(qiáng)度的試驗(yàn)眾數(shù)在0.8MPa附近，與其它礦區(qū)相比數(shù)據(jù)處于中間狀態(tài)。 所測(cè)煤層抗張強(qiáng)度參數(shù)Kp選取0.62MPa現(xiàn)已應(yīng)用在51519、51523、71503等工作面的斷層防水煤柱的留設(shè)中，并將原來Kp采用0.06MPa計(jì)算所留設(shè)的煤柱縮小了1/22/3。僅51519一個(gè)工作面所留設(shè)的煤柱由原來的120m縮小到60m，解放煤炭儲(chǔ)量85050噸。目前，該工