司林坡

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

全景钻孔窥视仪在水压致裂法地应力测试中的应用

司林坡

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

使用全景钻孔窥视仪对井下地应力测站钻孔进行全孔观测,对钻孔范围内的岩层分布,裂隙分布及产状进行详细分析,可以为小孔径水压致裂法地应力测量试验段选择提供便捷途径。简化了测站制备工艺,提高了测试成功率、准确性和可靠性。观测结果还可以用于巷道支护效果检测与评价等方面,有广泛的应用前景。

全景钻孔窥视仪;水压致裂法;地应力测试;围岩结构

1 地应力测量方法简述

巷道围岩内存在内应力是其区别于其他工程材料的重要特点,其地应力的大小和方向显著影响着巷道的变形和破坏特征。采矿工程科学合理地开挖、设计和施工,特别是巷道布置和锚杆支护设计,都离不开对巷道围岩地应力状况的充分了解。

地应力测量分为直接测量和间接测量[1-3]。直接测量是由测量仪器直接测量和记录各种应力量,如补偿应力、恢复应力、平衡应力,并由这些应力量和原岩应力的相互关系,通过计算获得原岩应力值。在计算过程中并不涉及不同的物理量的相互换算,不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法是实际测量中较为广泛应用的 4种直接测量法。在间接测量中,不是直接测量应力,而是借助某些传感元件或某些媒介,测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化,如岩体中的变形或应变,岩体的密度、渗透性、吸水性、电磁、电阻、电容的变化,弹性波传播速度的变化等,然后由测得的间接物理量的变化,通过已知的公式计算出岩体中的应力值。因此,在间接测量法中,为了计算应力值,首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系等。套孔应力解除法和其他的应力或应变解除法以及地球物理方法等是间接法中较常用的方法。

大量的实测证明,适合煤矿井下特殊环境要求的地应力测量方法主要有应力解除法与水压致裂法[4-5]。应力解除法在测量应力的过程中,测量结果受元器件自身可靠性影响较大,而且还受到岩层弹性模量以及泊松比可靠性影响。特别是在煤矿井下进行测量时,含水层、温度和潮湿环境的影响也不可忽略。因此,应力解除法在煤矿井下受到的各方面制约较大,测量精度难以保证。水压致裂法在测量时无需了解和测定岩石的弹性模量,测试时最小主应力值完全与岩石力学参数无关;与套芯应力解除法相比,水压致裂测量应力的空间范围较大,受局部因素的影响较小。

为此,天地科技股份有限公司开采设计事业部针对煤矿井下环境的特殊要求,专门研制了小孔径水压致裂法地应力测量仪器,在全国 20多个矿区进行了 300余个测站的测量工作,获得了大量的宝贵实测数据。

2 水压致裂法地应力测试

水压致裂地应力测量就平面应力测量而言,其3个基本假设条件[6]为：岩石呈线弹性且各向同性;岩石是完整的、非渗透性的;岩石中主应力之一的方向和钻孔轴平行。

现场地应力测量是在井下巷道围岩钻孔中进行的,测试示意如图 1。在打好的钻孔中先用高刚度注水管将一对橡胶封隔器送至适宜的钻孔位置,然后通过高压泵和储能器注入高压水,将封隔器涨起,将 2个封隔器之间的岩孔封闭。对封隔器之间的岩孔进行高压注水,直至将围岩压裂,关闭高压泵使裂纹闭合,然后重复注水和卸压使压裂裂纹重新张开和闭合。用数据采集仪可以得到压力 -时间曲线,通过对曲线中关键点的分析和计算可得到最大水平主应力和最小水平主应力大小,压裂方向即为最大水平应力方向。为了得到水压裂缝的形态及方位,在压裂后需进行印模。其方法是把带有定向罗盘的印模胶筒放在已压裂的孔段,然后给印模器注水加压,压力的大小和加压时间一般根据压裂参数设定,在印模器的外层涂有半硫化橡胶。当印模器注水膨胀,压力达到一定数值后,其外层橡胶就挤入压裂缝隙中,并在卸压后把印痕留在胶筒上,这样就得到了压裂裂缝。再根据印模装置中的定位罗盘测量出的胶筒基线方位,确定出破裂的方位。

图1 水压致裂法地应力测试系统

3 测试段选择

通过以上对水压致裂法地应力测试原理及过程的介绍可知,测试段位置的选择是测试过程中最基础且最重要的环节,测试段选择的合理与否直接影响到测试的准确度和成功率。测试段的选取采用的结构方法主要有：岩芯采取法、钻孔壁印模法和钻孔壁观察法[7]。

传统的方法是在打钻过程中采取岩芯,根据所取岩芯的胶结状况、完整性和取芯率来判定顶板岩层的均质完整性。该方法对于黏土成分含量低,胶结均匀,强度适中的岩层较为适用,采区的岩芯取芯率高,完整性好,可以依此判断岩层的完整性以及弱面分布状况,为测试段的选择提供较为准确的依据。但对于一些条件而言,该方法还存在着较为突出的问题：泥质胶结的岩层,黏土成分含量较高,在打钻取芯的过程中受到水的影响,岩芯冲蚀现象较为严重,也很容易崩解破碎,导致无法准确判断岩层的完整性;受煤系地层成岩过程的影响,有些岩层存在较多弱面和夹层,通过打钻取芯是无法确定这些弱面和夹层的准确位置;在打钻取芯的过程中,岩芯中的内应力随着取芯钻头切割的深度逐渐释放,在应力较低的情况下岩芯不易破碎成饼状。在高应力作用下,岩芯中应力的波及高度与岩芯直径和地应力大小的组合有很大的关系,在拉 -剪综合作用下,很容易发生饼状破碎[8],从而也影响了对岩层完整性的准确判断;一些强度高的岩石,弹性模量也很大,取芯的过程中,在钻机轴向推力和取芯钻头切削的组合作用下,很容易发生片状破碎;取芯工序繁多、对施工空间和机具的特殊要求也是该方法的不足之处。

钻孔裂缝压印法是通过裂缝的印痕获得钻孔圆柱壁裂缝形态的方法。其制取方法是采用膨胀胶管将金属箔、蜡纸或塑料薄膜等贴压在钻孔壁上,然后将其提取出,进行分析、解释,绘制裂缝分布图。以此来选择水力压裂测试段。这种方法很早在石油钻探中就应用于水力压裂过程的鉴定,比较适合于破碎岩体。但是,此法需要打孔、印痕、提取、分析解释、绘图等程序,过程比较复杂,在井下大面积使用存在较大困难。

钻孔壁观察法[9]是采用钻孔窥视仪观察与测试钻孔壁上的结构面分布情况。目前用于煤矿井下围岩结构的钻孔窥视仪器主要有 2种：光导纤维窥视仪和电子窥视仪。光导纤维窥视仪由光导纤维传送图像,通过目镜直接观察。该仪器还可与照相机等记录装置配套使用,记录观察结果。另一种是电子窥视仪,其工作原理是 CCD摄像头将光线转变成电子讯号,然后将影象显示于监视器上。光纤窥视仪的优点是轻便,用矿灯作为光源,使用灵活,尤其适用于煤矿井下。电子窥视仪的主要优点是比光纤窥视仪获得更高的解像度,更远的有效长度及更清晰的影像。根据成像结果选择适宜的孔段进行水力压裂。

4 全景钻孔窥视仪介绍

由于采用电子钻孔窥视仪进行地应力测孔结构观测具有快捷、清晰和低成本等特点,为测试段的选择提供更为准确和直观的手段。天地科技股份有限公司开采设计事业部结合自身业务和现场特点,通过多年的调研和合作,开发了全景钻孔窥视仪,其便捷的操作、直观的输出效果从根本上克服钻孔取芯方法以及裂缝压印法存在的诸多不足。整套仪器主要有以下部件组成：

连接杆 采用特殊的铝材制作,具有重量轻、刚度大、防锈和防腐蚀的特点,能很好的适应井下特殊工作环境的要求。

主机 整套仪器的控制单元,内含高精度的采集、拼接、存储和显示模块。具有非常强的抗震性能、密封性、稳定性、防尘和防潮性能。主机重量为2.6kg。

探头 探头采用不锈钢外壳,钢化光学玻璃探头罩,内部摄像头为彩色低照度 450Lines,0.1Lux,134万像素,对裂缝的分辨率高达0.1mm。探头内部装置有高精度电子罗盘,其角度分辨率为 0.1°,完全能满足测试的要求。

深度计数器 采用高精度光电编码器,简便、易操作,深度精度可达 0.1mm。

导线 采用特制的石油测井专用铠装电缆,牢固、耐用。

整套仪器具有高集成性、智能性、可靠性、便携性等特点。测试的过程能将深度与图像一致结合,能达到图像与结果显示“所见即所得模式”。还可以显示输出平面展开图和立体柱状图,灵活直观。特别适合在无法取得实际岩芯的破碎地层,可清晰的观测到地应力测试钻孔中的夹层、裂隙、离层和岩脉等特殊地段的准确位置,测试段的选择可以以此为依据,避开对测试有影响的孔段,大大提高了测试速度和成功率。

5 现场测试

5.1 测试段的选取

现场水压致裂法地应力测试是在井下巷道中进行,为了准确测得顶板岩体中的原岩应力,要求测点在布置的过程中避开密集的巷道群和大构造带,测点附近水、电、运输和通风系统完备。测点确定后,在巷道顶板打设铅垂向上的钻孔,钻孔直径56mm,根据顶板状况和设备自身重量,孔深控制在 20～25m。为了避免由于巷道开挖形成的支承应力对原岩应力的影响,一般情况下要求测试深度大于巷道跨度的 2.5倍[10]。

钻孔完成后,用全景钻孔窥视仪对钻孔从孔口开始至孔底进行详细观测,记录顶板岩层的分布状况,节理、裂隙、离层等的准确位置。根据观测和记录结果,选择适宜的孔段进行水压致裂和印模,然后再用全景钻孔窥视仪对压裂和印模段进行观测,采集压裂裂纹的具体形态与印模结果进行比较,最终确定地应力的大小和方位,测试过程如图2所示。

图2 全景钻孔窥视仪在水压致裂法地应力测量的应用过程

5.2 测试结果

以某煤矿 23材料巷处测站为例,该测站处巷道顶板表面未见明显破碎,但顶板整体下沉较为明显,为此在该处设置测站进行观测。该测站处埋深约 321m,巷道为矩形断面,采用锚网支护形式,其巷道断面支护如图 3所示。

采用全景钻孔窥视仪对该处地应力测站顶板钻孔进行观测。根据钻孔观测结果,结合打钻过程中的水样记录和收集到的相关地质资料综合分析可以得到,该测站顶板以上 0～0.8m为细砂岩,砂质胶结,呈黑色和灰黑色,裂隙特别发育,有明显离层;0.8～3.2m为细砂岩,岩层灰黑色,砂质胶结,岩层坚硬,该段岩层孔壁完整;3.2～4.5m为细砂岩,砂质胶结,该段极其破碎,中间夹有 2段煤层,煤体黑色发亮;4.5～5.5m为细砂岩,灰黑色,厚层状,致密坚硬,中间有少量环向裂隙;5.5～9.7m为细砂岩和中砂岩,岩层呈灰黑色,该段完整性极差,离层明显,裂隙发育,以纵向裂隙和环向裂隙为主;9.7～11.15m为细砂岩,岩层呈灰黑色,砂质胶结,孔壁较为完好;11.15～16.7m为粗砂岩,岩层呈灰白色,砂质胶结,岩层致密坚硬,该段孔壁较为完整;16.7～20.4m为细砂岩,呈灰色,中间有少量泥岩夹层和少量微裂隙。根据观测资料,把地应力的测试段定于 15m处,该处岩层为粗砂岩,岩层厚层、单一完整,致密坚硬,适合进行水力压裂。

裂隙发育孔段为 0～1.0m,5.0～10.0m,钻孔完整段为 12.0～16.0m。将有代表性的礼段局部放大处理,平面展开结果和圆柱图对照如图 4。

图3 巷道断面支护

图4 代表性孔段平面展开与圆孔柱状对比

通过顶板结构观测,可以把水压致裂地应力测量段进行标定,对测量段进行压裂,利用 SYY-56型水压致裂地应力测量仪对压裂过程中的压力和时间进行实时采集,得到水力压裂曲线。根据采集到的曲线通过软件分析得到应力计算所需要的破裂压力、重张压力和瞬时关闭压力。结合测站埋深以及水压致裂法水平应力计算分别可以得到最大水平主应力、最小水平主应力和垂直应力值。孔壁岩石的压裂完成后,对压裂部位进行了印模和定向,以便取得水压裂缝的走向。结合电子指南针北向与印模器基线夹角,印模基线和压裂裂缝之间的夹角,通过计算就可以得到最大水平主应力的方向。水力压裂曲线如图 5,最大水平主应力定向结果如图 6。

图5 水压致裂法地应力测量水力压裂曲线

图6 最大水平主应力定向结果 (北偏西 53.2°)

水力压裂曲线经水压致裂数据处理软件分析计算得出：破裂压力 Pb=5.63M Pa;重张压力 Pr=4.75MPa;瞬时关闭压力 Ps=4.66MPa。

根据埋深,采用水压致裂法地应力测量水平应力计算公式分别可以得出：最大水平主应力σh=8.87MPa;最小水平主应力σh=4.48MPa;垂直主应力σv=7.58MPa。

5.3 测试结果分析

(1)该测站处最大水平主应力为 8.87MPa。根据相关判断标准：0～10MPa为低应力区;10～18MPa为中等应力区;18～30MPa为高应力区;大于 30MPa为超高应力区。该处属于低应力值区域。应力场类型为σHV型 (σHmax＞σV＞σHmin),最大主应力为水平应力。巷道开挖后,水平应力会在巷道两帮出现应力降低区,在巷道顶板与底板出现应力集中区。随着巷道轴线与最大水平主应力方向夹角的增加,顶底板的水平应力集中区逐渐远离巷道,但范围与应力值不断增大。

(2)锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、张开裂隙等扩容变形与破坏,在锚固区内形成次生承载层,最大限度地保持锚固区围岩的完整性,避免围岩有害变形的出现,提高锚固区围岩的整体强度和稳定性[10]。该处巷道顶板以上 0～1.0m离层明显,5.0～10.0m段为非常明显的破碎区,该处顶板锚杆长度为 2.4m,锚索长度为 7.3m。由于锚杆支护强度和刚度不足,锚固范围内岩层离层明显,岩层自身承载能力降低;而锚索锚固端所在岩层极其破碎,锚固范围外岩层亦非常破碎,该状况是出现巷道顶板整体下沉的最主要原因。

(3)受围岩结构、支护状况以及水平应力的影响,该处存在大的安全隐患,建议采用注浆加固手段对锚固区及以外岩层进行处理,改善巷道顶板岩层结构,提高围岩的强度,从而增加顶板围岩自身承载能力,保持顶板的稳定性。

6 结论及建议

(1)全景钻孔窥视仪使用便捷、测试结果清晰,非常适合煤矿井下夹层、裂隙、离层和岩脉发育,致使无法取得岩芯的破碎地层围岩结构观测。其测试结果可分为钻孔平面展开图以及圆柱图,两者结合使用可对岩层结构有更为直观的认识。

(2)将全景钻孔窥视仪应用于地应力测试中,可以获得测站处顶板岩层的分布状况,节理、裂隙、离层等的准确位置。根据观测和记录结果,准确选择适宜的孔段进行水压致裂和印模,能提高测试成功率、准确性和可靠性。

(3)通过测站处全景钻孔窥视仪观测结果,可以对巷道顶板煤岩体结构面分布与完整性做出判断,可以直观地评价巷道的支护效果,还可以用于岩层支护与加固设计,工程质量检测与加固效果评价等方面。

(4)运用其他学科相关理论及研究手段对钻孔结构观测结果进行分析和处理,可以增大实测数据的代表性和说服力。对裂纹进行有效地动态监测是了解和掌握煤岩体结构变化特性的必要手段。

[1]张 晓 .小孔径水压致裂法地应力测量技术研究及现场应用[D].北京：煤炭科学研究总院,2004.

[2]蔡美峰 .地应力测量原理与技术 [M].北京：科学出版社,2000.

[3]煤炭科学研究总院北京开采所 .井下快速地应力测试技术[R].北京：2000.

[4]康红普,林 健 .我国巷道围岩地质力学测试技术新进展[J].煤炭科学技术,2001,29(7).

[5]Kang H P,Zhang X,Si L P.In-situ stress measurement and stress distribution characteristics in underground coal mines in China[J].Engineering Geology,2010(116)：335-345.

[6]李方全,李廷美,王恩福,等 .水压致裂法原地应力测量实验 [A].地应力研究文集 [C].北京：地震出版社,1984.

[7]苏 波 .煤岩体结构观测及对巷道围岩稳定性的影响研究[D].北京：煤炭科学研究总院,2007.

[8]侯发亮,刘 军,等 .应力解除时岩芯中的应力状态及饼状岩芯破裂成因分析 [J].岩石力学与工程学报,1986,5(1)：61-78.

[9]林 健 .巷道围岩地质力学现场测试技术 [D].北京：中国矿业大学 (北京),2004.

[10]康红普,林 健,等 .山西煤矿矿区井下地应力场分布特征研究 [J].地球物理学报,2009,52(7)：1782-1792.

[11]康红普,王金华 .煤巷锚杆支护理论与成套技术 [M].北京：煤炭工业出版社,2007.

[责任编辑：王兴库 ]

Application of Panoramic Borehole Camera in Geo-stress Test by Hydrofracturing

SI Lin-po
(Coal Mining&Designing Department,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

Panoramic borehole camera was applied to observing strata,fissure and occurrence distribution in borehole for geo-stress test by hydrofracturing.This might provide a good method for selecting appropriate geo-stress test place.Test success ratio,accuracy and reliability of test were improved by simplifying test technique.The method might also be used for supporting effect chect out and evaluation,so it had wide application foreground.

panoramic borehole camera;hydrofracturing method;geo-stress test;structure of surrounding rock

TD311

A

1006-6225(2011)02-0097-05

2010-12-12

天科技股份有限公司科技发展基金 (青年技术创新)：基于地应力测量的煤矿区域应力场反演计算 (TZ-JJ-09-KC-03)

司林坡 (1981-),男,河南南阳人,硕士,工程师,主要从事煤巷锚杆支护技术和煤矿井下地质力学测试方面的研究工作。