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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，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2～5）；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作为计算参数，留设的防水煤柱宽度都在80—200m，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： 岩石是均匀脆性和各向同性的线弹性体； 岩石为多孔介质时，注入的液体按达西定律在孔隙中流动； 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。 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，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）。 ①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。 ②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。 ③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。 ④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，这时便得到裂缝处于临界闭合状态时的平衡力。 ⑤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3～5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970m～97