超千m深孔壓致裂地應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)試與應(yīng)用

超千m深孔壓致裂地應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)試與應(yīng)用

1初始地應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算的必要性地應(yīng)力是地層下的一種自然應(yīng)力，不受工程的干擾。這是地下工程變形和破壞的根本動(dòng)力。這是確定工程巖體的力學(xué)屬性、圍巖穩(wěn)定性分析、巖石工程的開挖和科學(xué)決策的必要條件。對(duì)礦山設(shè)計(jì)來(lái)講,隨著礦井開采深度不斷增加,地應(yīng)力的作用表現(xiàn)得越來(lái)越明顯。深部高地應(yīng)力巷道的維護(hù)、沖擊地壓等災(zāi)害現(xiàn)象都與地應(yīng)力有著密切的關(guān)系。查清擬開采范圍內(nèi)地應(yīng)力的大小和方向,進(jìn)行合理的巷道設(shè)計(jì),不僅可以顯著改善巷道維護(hù)狀況,避免災(zāi)害發(fā)生,而且可節(jié)約大量支護(hù)和維修費(fèi)用,顯著提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益。由于地下工程的復(fù)雜性和地下空間形狀的多樣性,利用解析法進(jìn)行工程穩(wěn)定性的分析和計(jì)算幾乎是不可能的。隨著高速計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和各種數(shù)值模擬方法的發(fā)展,使地下工程成為一門可以進(jìn)行定量設(shè)計(jì)和分析的科學(xué),但所有的計(jì)算及分析都須在掌握地應(yīng)力分布狀況的前提下進(jìn)行。產(chǎn)生地應(yīng)力的原因十分復(fù)雜,也是至今尚不十分清楚的問(wèn)題。40多年來(lái)的實(shí)測(cè)和理論分析表明,地應(yīng)力的形成主要與地球的各種內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用和外動(dòng)力地質(zhì)作用有關(guān)并受其影響。地應(yīng)力場(chǎng)屬于非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng),它在空間的分布極不均勻,且隨著時(shí)間的推移不斷變化。迄今為止,地應(yīng)力場(chǎng)還很難用函數(shù)形式來(lái)表達(dá),要了解一個(gè)地區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài),唯一的方法就是首先進(jìn)行原位地應(yīng)力測(cè)量。地下工程在小規(guī)模范圍內(nèi)或接近地表的深度上進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),經(jīng)驗(yàn)類比法往往是有效的。但隨著開挖規(guī)模和深度的不斷加大,經(jīng)驗(yàn)類比法越來(lái)越失去作用。萬(wàn)福煤礦是兗礦集團(tuán)在巨野煤田計(jì)劃開發(fā)的第二個(gè)年產(chǎn)量超千萬(wàn)噸的大型礦井,地處黃河沖積平原,具有沖積層厚、煤層埋深大的特點(diǎn),屬目前世界沖積層最厚、施工難度最大的礦井。為提高礦井設(shè)計(jì)的科學(xué)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性,地應(yīng)力測(cè)量工作被列為地質(zhì)勘探的重要內(nèi)容之一。地應(yīng)力測(cè)量是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作,其測(cè)試方法很多,應(yīng)力解除法和水壓致裂法是2003年國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)新推薦的2種地應(yīng)力測(cè)試方法。應(yīng)力解除法的測(cè)試深度較淺,并且需要足夠的地下巷道容納設(shè)備。水壓致裂法是利用一對(duì)可膨脹的封隔器在選定的測(cè)量深度封隔一段鉆孔,然后通過(guò)泵入流體對(duì)該試驗(yàn)段增壓,同時(shí)記錄壓力隨時(shí)間的變化過(guò)程,通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)記錄曲線進(jìn)行分析,得到特征壓力參數(shù),再根據(jù)理論計(jì)算公式,求得測(cè)點(diǎn)處最大和最小水平主應(yīng)力值及巖石的水壓致裂抗拉強(qiáng)度參數(shù),主應(yīng)力方位可根據(jù)印模確定的破裂方位而定。從理論上講,水壓致裂法沒(méi)有測(cè)試深度限制,并且特別適合于在礦山的初期勘探階段應(yīng)用[6~8]。因此,萬(wàn)福煤礦地應(yīng)力測(cè)量采用水壓致裂法。如何準(zhǔn)確反映地下工程中的初始地應(yīng)力場(chǎng),是地下工程面臨的一個(gè)重要課題。一方面,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地應(yīng)力是了解應(yīng)力場(chǎng)最直接的途徑,但是由于場(chǎng)地和經(jīng)費(fèi)等原因,不可能進(jìn)行大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量;另一方面,地應(yīng)力成因復(fù)雜,影響因素眾多,各測(cè)點(diǎn)的結(jié)果在很大程度上僅反映該點(diǎn)的局部應(yīng)力,即測(cè)量結(jié)果有一定的離散性。因此,為獲得更為準(zhǔn)確、適用較大范圍的地應(yīng)力場(chǎng),必須針對(duì)具體工程的地質(zhì)條件在實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)的反演計(jì)算。目前,將實(shí)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力轉(zhuǎn)化為場(chǎng)應(yīng)力的理論和方法主要有:邊界載荷調(diào)整法、應(yīng)力擬合分析法、應(yīng)力函數(shù)趨勢(shì)分析法等[11~16],其共同特點(diǎn)是以實(shí)測(cè)地應(yīng)力值為依據(jù),建立地質(zhì)模型,利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理,擬合出與實(shí)測(cè)應(yīng)力值殘差平方和最小的地應(yīng)力場(chǎng)。本文提出的基于有限元三維地應(yīng)力場(chǎng)擬合分析法,能夠充分考慮研究區(qū)域復(fù)雜的地質(zhì)條件和引起地應(yīng)力的主要因素,具有計(jì)算精度高、運(yùn)算速度快的特點(diǎn)。該法使實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)得到更廣泛的應(yīng)用,從而把初始地應(yīng)力的研究理論從點(diǎn)應(yīng)力階段推向場(chǎng)應(yīng)力設(shè)計(jì)階段。2采用新型壓力和流量測(cè)試系統(tǒng)為適應(yīng)萬(wàn)福煤礦特殊的地質(zhì)條件及深孔地應(yīng)力測(cè)量的要求,對(duì)傳統(tǒng)的水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)改進(jìn)(見圖1)。改進(jìn)部分主要包括:(1)采用單回路水壓致裂加壓系統(tǒng),將特殊密封的鉆桿作為高壓管道,保證測(cè)量系統(tǒng)具備一定剛度穿過(guò)上覆土層。(2)采用新型高強(qiáng)度推拉開關(guān),只用一條高壓管加壓,分別使封隔器座封和工作段壓裂。(3)采用特殊結(jié)構(gòu)的新型封隔器,耐壓強(qiáng)度提高到70MPa。(4)回路中增設(shè)防塞裝置,防止鉆桿鐵銹脫落,堵塞液壓管路。(5)采用串列安裝的印模器和串列定向器,一次下鉆可進(jìn)行多段印模,提高工作效率。(6)采用16道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),提高數(shù)據(jù)采集精度,克服記錄儀模擬輸出的誤差。(7)采用加載和卸載過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng),消除人為因素的影響。3為應(yīng)對(duì)深孔壓迫引起的裂縫壓力而測(cè)量3.1地質(zhì)地質(zhì)構(gòu)造萬(wàn)福勘探區(qū)位于山東省菏澤市巨野縣和成武縣的交界處,其中心西北距菏澤市約45km,東北距巨野縣城約32km。該區(qū)受黃河沖積影響,地勢(shì)自西向東傾斜,海拔高程36~46m,地形平坦。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以近EW向的鄆城斷裂、菏澤斷裂等和近NS向的曹縣斷裂、巨野斷裂等為主。地層自上而下為第四系、上第三系、二疊系、石炭系以及奧陶系等。地層巖性主要為沖積層粘土、砂巖、泥巖、煤巖以及灰?guī)r。所測(cè)鉆孔揭露的主煤層平均埋深達(dá)1004.12m,上覆沖積層平均厚度為726.42m。如此厚的上覆沖積層在國(guó)內(nèi)外各類礦山中是少見的,這給深部巖體地應(yīng)力測(cè)量造成了很大困難。3.2鉆孔布置及測(cè)點(diǎn)布置萬(wàn)?？碧絽^(qū)地應(yīng)力測(cè)量共選擇7個(gè)勘探鉆孔作為應(yīng)力測(cè)試孔(見圖2)。每個(gè)鉆孔設(shè)3~6個(gè)測(cè)點(diǎn),共計(jì)37個(gè),所有測(cè)點(diǎn)均布置在煤層頂?shù)装鍘r層中。除W–28鉆孔外,其他鉆孔深度均超過(guò)1000m,最大測(cè)點(diǎn)深度為1105m。7個(gè)鉆孔中測(cè)點(diǎn)分布狀況見表1。3.3測(cè)量結(jié)果37個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見表2。萬(wàn)福勘探區(qū)上覆沖積層的平均重度為20kN/m3,巖石的平均重度為27kN/m3。3.4地質(zhì)意義和地應(yīng)力從表2可以看出,萬(wàn)福勘探區(qū)地應(yīng)力分布具有如下規(guī)律:(1)勘探區(qū)最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值,37個(gè)測(cè)點(diǎn)中有12個(gè)點(diǎn)的比值超過(guò)2.00,最大比值為3.22,最小比值為1.44,平均比值為1.97,反映出該區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)以水平應(yīng)力為主的特點(diǎn)。與整個(gè)華北地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)比較,萬(wàn)福煤礦的地應(yīng)力大小屬于中等偏上水平。(2)利用印模器對(duì)21個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力方向進(jìn)行了測(cè)定。其中,18個(gè)測(cè)點(diǎn)位于NE~SW向,3個(gè)測(cè)點(diǎn)位于NW~SE向,平均走向?yàn)镹E60°左右。這一結(jié)果與新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及現(xiàn)代震源機(jī)制所反映的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向一致。(3)最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的比值為1.22~1.65,平均為1.50左右,在整個(gè)勘探區(qū)基本穩(wěn)定。(4)實(shí)測(cè)地應(yīng)力值隨深度的增加而增加。其中,W–6,W–13,W–15和W–29鉆孔的最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力均隨深度呈近似線性增長(zhǎng)的關(guān)系。(5)礦區(qū)地應(yīng)力分布狀態(tài)受多條斷裂的影響,呈現(xiàn)一定程度的不均勻性。勘探區(qū)西南角的W–20,W–28和W–24鉆孔處于斷裂端點(diǎn)附近,應(yīng)力較為集中,測(cè)量應(yīng)力值較大;而位于斷裂兩旁的W–6,W–13和W–29鉆孔應(yīng)力值相對(duì)較小。4反演分析地應(yīng)力場(chǎng)4.1有限元分析及地應(yīng)力計(jì)算模型的建立地應(yīng)力的分布狀況與地下工程的空間位置、巖體性質(zhì)、巖體自重、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等因素有關(guān),實(shí)測(cè)地應(yīng)力就是這些因素綜合作用的反映,反演地應(yīng)力場(chǎng)就是對(duì)諸因素模擬再現(xiàn)的過(guò)程。測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值及所要反演的地應(yīng)力場(chǎng)可以認(rèn)為是下列變量的函數(shù):式中:σ為初始地應(yīng)力值,代表應(yīng)力分量;x,y,z為地形和地質(zhì)體各質(zhì)點(diǎn)空間位置坐標(biāo),可由勘測(cè)資料獲得;E,μ分別為地質(zhì)體的彈性模量和泊松比,可用試驗(yàn)方法求得;G為地質(zhì)體自重因素;T1,T2,為各類地質(zhì)構(gòu)造因素,這些待定因素可以通過(guò)建立地質(zhì)模型和給定邊界條件求得。為全面掌握萬(wàn)?？碧絽^(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律,在地應(yīng)力場(chǎng)的分析過(guò)程中,采用有限元應(yīng)力擬合分析法。該方法的突出優(yōu)點(diǎn)是借助數(shù)值分析理論和計(jì)算機(jī)技術(shù),把實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料、工程地質(zhì)資料和數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論結(jié)合起來(lái),綜合考慮影響地應(yīng)力的各種因素,保證擬合再現(xiàn)的應(yīng)力場(chǎng)最大限度地接近真實(shí)情況。其基本原理是:(1)根據(jù)勘探區(qū)地形、地質(zhì)和物理力學(xué)資料,建立反映實(shí)際工程區(qū)域的有限元數(shù)值模型。(2)根據(jù)現(xiàn)今地應(yīng)力成因理論,選定鉛直方向的自重因素和水平方向的2個(gè)構(gòu)造因素作為待定因素,擬定單位載荷分別進(jìn)行單因素有限元計(jì)算,得到各因素在單位載荷下的有限元計(jì)算值。(3)根據(jù)應(yīng)力線性疊加的原理,以觀測(cè)點(diǎn)處單因素的地應(yīng)力有限元計(jì)算值作為自變量,觀測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力回歸值為因變量建立多元線性回歸方程,即式中:σk對(duì)應(yīng)k觀測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力回歸計(jì)算值,σk={σxk,σyk,σzk,τxyk,τyzk,τzxk}T;Li為待定回歸系數(shù),i=1,2,…,n分別對(duì)應(yīng)不同因素;σki對(duì)應(yīng)第i因素作用下k觀測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力有限元計(jì)算值,σki={σxki,σyki,σzki,τxyki,τyzki,τizxk}T。(4)根據(jù)最小二乘法原理,假定有m個(gè)測(cè)點(diǎn)的資料,則地應(yīng)力實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算地應(yīng)力回歸值的殘差平方和方程為式中:σjk*為k觀測(cè)點(diǎn)j地應(yīng)力分量的實(shí)測(cè)值;σijk為第i因素作用下k觀測(cè)點(diǎn)j地應(yīng)力分量的有限元計(jì)算值。(5)求解使S為最小值的正規(guī)方程組,得n個(gè)回歸系數(shù)Li。(6)計(jì)算域內(nèi)任一點(diǎn)P的地應(yīng)力回歸分量,可由該點(diǎn)單因素作用下有限元計(jì)算值線性疊加而成,即式中:j=1,2,…,6對(duì)應(yīng)原巖地應(yīng)力的6個(gè)應(yīng)力分量。4.2勘探區(qū)地質(zhì)模型在三維有限元建模過(guò)程中,綜合考慮礦井開采范圍、地形地貌、地層分布及地質(zhì)構(gòu)造等影響因素,確定了計(jì)算域?yàn)?EW分別以20402.5和20392.5km坐標(biāo)網(wǎng)格為邊界,NS分別以3980.0和3995.0km坐標(biāo)網(wǎng)格為邊界,EW寬10km,NS長(zhǎng)15km,上表面深度取到海拔700m水平,下表面深度取2700m?？碧絽^(qū)有限元地質(zhì)模型見圖3。計(jì)算域內(nèi)共劃分164561個(gè)四面體單元,230192個(gè)節(jié)點(diǎn)。4.3質(zhì)、巖石學(xué)因素有限元模型的精度主要取決于地質(zhì)構(gòu)造及地層的物理力學(xué)參數(shù)。地質(zhì)構(gòu)造主要考慮了勘探區(qū)中的田橋、牛海、F1,F2,F3和王平斷層等;巖層主要考慮了前奧陶系、奧陶系、石炭系、下二疊系、上二疊系地層。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,地層物理力學(xué)參數(shù)的選取如表3所示。4.4地質(zhì)構(gòu)造及地應(yīng)力測(cè)量綜合分析由于邊界條件對(duì)附近節(jié)點(diǎn)有應(yīng)力集中,為減少邊界干擾,簡(jiǎn)化加載過(guò)程,在研究域外圍采取套封方法,邊界條件作用于巖石套上。根據(jù)山東荷澤地區(qū)現(xiàn)代地震震源機(jī)制解主壓應(yīng)力方向統(tǒng)計(jì)資料、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造資料及地應(yīng)力測(cè)量資料的綜合分析,萬(wàn)?？碧絽^(qū)地應(yīng)力場(chǎng)最大主壓應(yīng)力方向?yàn)镹E57.14°。因此巖石套與研究域的關(guān)系應(yīng)如圖4所示。由于自重作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是引起地應(yīng)力的主要因素,因此模型的邊界條件主要考慮這兩方面因素。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)力學(xué)模型,見圖4(a):2個(gè)側(cè)面分別施加水平方向的均布?jí)毫1,T2來(lái)模擬水平方向構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用,而非加載兩側(cè)面邊界和底部邊界施加法向位移約束。自重應(yīng)力場(chǎng)力學(xué)模型,見圖4(b):側(cè)面及底面施加位移約束,限制其法向位移,采用巖體實(shí)測(cè)密度,計(jì)算自重作用G產(chǎn)生的自重應(yīng)力場(chǎng)。4.5今地應(yīng)力場(chǎng)特征利用萬(wàn)?？碧絽^(qū)37個(gè)實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料和3個(gè)單因素(自重應(yīng)力G、構(gòu)造應(yīng)力1T,2T)有限元地應(yīng)力模擬結(jié)果,采用有限元應(yīng)力擬合分析法,得出相應(yīng)因素的回歸系數(shù)。將3個(gè)單因素的初始載荷分別乘以對(duì)應(yīng)的系數(shù)后,同時(shí)作用在有限元模型邊界上,計(jì)算出勘探區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)。圖5為煤層頂板的主應(yīng)力分布曲線,根據(jù)三維地應(yīng)力場(chǎng)反演分析結(jié)果,萬(wàn)?？碧絽^(qū)煤層圍巖現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)主要特征如下:(1)煤層圍巖主要受構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力的作用,且構(gòu)造應(yīng)力普遍大于自重應(yīng)力,工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)明顯受巖性、地形和斷層形態(tài)的影響;在斷層部位主應(yīng)力值均有所降低,而在斷層附近有明顯的應(yīng)力集中區(qū),特別是在田橋斷層兩側(cè);后李樓—東黃堂—白樓—李長(zhǎng)店一帶屬應(yīng)力集中區(qū),主應(yīng)力方向近EW向,其位置正好與白樓背斜和黃堂向斜一致。(2)煤田范圍內(nèi)存在垂直主應(yīng)力減小區(qū),測(cè)得的煤層中最小垂直主應(yīng)力值小于10MPa的普遍存在,與煤層分布基本一致,反映在強(qiáng)大的水平應(yīng)力作用下,較軟的煤層有向上被擠出的趨勢(shì)。由于上覆沖積層中有巨厚的黏土層,對(duì)地下水和煤層瓦斯的封閉性強(qiáng),而且煤層頂板是高應(yīng)力作用下的低應(yīng)力區(qū),所以有形成裂隙的應(yīng)力場(chǎng)條件,是煤層瓦斯的有利聚集區(qū)。(3)沿牛海斷裂義和集以西的煤層頂板屬低應(yīng)力區(qū),其最大主應(yīng)力值小于30MPa;最小主應(yīng)力值小于10MPa,小于巖體自重應(yīng)力,巖石易產(chǎn)生卸荷裂隙,尤其是奧陶系灰?guī)r在大量的裂隙條件下,有利于巖溶產(chǎn)生溶洞,溶洞中大量的高承壓水沿?cái)嗔焉嫌啃纬赏凰鹿省?4)煤層頂板應(yīng)力狀態(tài)處于逆斷層狀態(tài),即最大主應(yīng)力接近水平,最小主應(yīng)力為垂直方向。5深孔地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)(1)萬(wàn)?？碧絽^(qū)深孔水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量,完成了7個(gè)鉆孔、37個(gè)測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。最大測(cè)點(diǎn)深度為1105m,創(chuàng)造了我國(guó)煤礦水壓致