基于钻孔水压致裂法地应力测试设备的优化

摘要：水压致裂法应用于地应力的测量，是因为其测试方法简捷测量深度大，又不涉及岩体弹性参数，并且能够准确地测量出地应力以及煤层强度，从而保障高压工作环境下的安全性。但是由于运用单回路与双回路两套装置，导致准确率降低、效率低下。因此本文主要通过对其工作原理的分析提出优化方案，找到两套装置的链接关键，从而对溢流阀进行改造将两套装置结合。试验结果表明：优化方案可行，改造合理，止水效果好并且质量轻、体积小，操作便捷适用于煤矿井下深部作业。

Abstract： Drilling hydraulic fracturing method is used in measuring crustal stress because this measurement method is simple and the measurement depth is deep， it does not involve elastic parameters of rock and can accurately measures the crustal stress and strength of coal seam to ensure the safety of the high pressure working environment. However， due to the use of single loop device and double loop device， the accuracy and efficiency is low. So， this paper mainly analyzes its working principle to put forrward the optimization scheme to find the key link of the two sets of devices. Thus， the relief valves are be transformed to combine the two sets of devices. The test results show that the optimized scheme is feasible， the modification is reasonable， the water stop effect is good and the quality is light， volume is small， the operation is more applicable to coal mine deep operations.

关键词：钻孔水压致裂法；地应力；液压致裂仪；溢流阀

Key words： borehole hydraulic method；crustal stress；hydraulic fracturing instrument；relief valve

中图分类号：U451+.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）07-0234-03

0 引言

随着我国煤矿开采的不断深入，深部开采所带来的高压工作环境日益增多，从而导致了煤矿突水事故的不断增加。因此进行地应力和煤层强度测试以保障高压工作环境下的安全性显得尤为重要。

煤层底板原位地应力测试系统是我国煤层底板水文地质条件探查和评价的重要设备之一，该方法1986年从匈牙利引进以来为我国煤层水害的防治做出了重要贡献[1]。目前许多煤矿对煤层底板原位应力测试的要求却越来越强烈。例如：晋城，淮北，皖北，徐州，峰峰和东山等煤（矿）业集团在突水危险日趋严重的情况下，都迫切需要进行底板测试，特别是国家《煤矿防治水规定》颁布以来，对煤柱的水压致裂原位强度测试进行了强制要求[2]。由此可见煤矿企业对钻孔水压致裂测试设备的需求与重视。但是由于，单回路和双回路两套设备转换系统操作复杂，从而降低了测量的精确度以及工作效率，并且增加了工程成本。所以，我们以经济高效，精确实用为理念，设计一套两者相结合的新型水压致裂测量仪器，更好的适用于煤矿地应力的测量。从而推动我国煤矿突水预测技术和煤柱合理留设技术的深入发展。

1 工作原理

水压致裂法应力测试系统由液压系统、分割系统、定向系统、数据采集记录系统和数据处理系统组成。它是通过向钻孔内的2个分割器内注入高压水，使之膨胀之间，起到密封作用，然后在向封隔器之间的岩石中施加液压使孔壁岩石破裂而测量地应力的[3]。该方法由于曲线拐点明显、清晰、精度高在地震地质方面已经得到广泛应用[4]。

液压系统是水压致裂法应力测试系统的主要组成部分，它的主要作用是2个分割器内注入高压水，起到密封作用，然后在向封隔器之间的岩石中施加液压使孔壁岩石破裂而测量地应力的[5]。

单回路液压系统指的是封隔器加压管路系统和致裂加压管路系统重合液压系统。要实现这一目标，需要特制的溢流阀。该溢流阀限定的压力差小于10MPa，连接两个封隔器的液压传递。

其工作原理是：液体从左侧溢流阀一个管道进入封隔器，使得封隔器膨胀至设定压力，达到设定压力后溢流阀另一个管道打开，液体从溢流口流出进入致裂室，并保持封隔器和致裂室的压力差保持于设定值，直到致裂后泄压。这样就保证封隔器的密封效果[6]。

单回路系统节约了一套管子，可以有效地防止事故的发生，不会卡住仪器发生事故，且操作简便。图1所示为水压法致裂仪单回路装置。

双回路液压系统指的是封隔器液压加载系统和致裂加载系统分属不同的系统。封隔器的加压系统为单独的高压油管，致裂室的加压系统为钻杆[7]。（图2）

其工作原理是：工作时首先由高压油管对封隔器充水加压，使封隔器膨胀堵住钻孔，压力达到预定值后再由钻杆对致裂室充水加压[8]。

双回路液压系统时常用的系统，能减少封隔器对孔壁的破坏，且在岩石条件不好的情况下测试效果好。

现在要实现单回路和双回路传压系统的转换，以适应各种不同的现场情况。

2 地应力测试设备优化

首先对其原理进行了一系列的分析，单回路系统节约了一套管子，可以有效地防止事故的发生，不会卡住仪器发生塌孔卡仪器事故，且操作简便，而双回路液压系统是时常用的系统，能减少封隔器对孔壁的破坏，且在岩石条件不好的情况下测试效果好。要做到两种仪器的方便携带与使用就要使两者结合起来成为一套仪器，单双回路可交替调整，既节省材料又方便携带而且最主要的是能做到更准确的测量。分析单双回路最大的区别就是“溢流阀”，溢流阀是只有单回路有的。

2.1 优化方案一

于是想了第一套方案：改变溢流阀的内部结构，使得在一个开关的调解下实现单双回路转换，然而在直径不到100mm的纯铁柱里面要做到能单双回路的交替变换并且还是在压力高达10MPa的情况下，这就得有很高的技术含量，要么是坚固巧妙的机械设计，要么就是精密的电子控制，但是考虑到我们当前有限的条件，这套方案是行不通了。于是，从大的方面，根本问题着手进行分析，还是单双回路的最大区别“溢流阀”，第一套方案考虑的是溢流阀的内部结构问题，然而现在将这套方案扩展考虑，由于溢流阀的“去留问题”，去就是“双”回路，而留便是“单”回路，要是在原来单回路的基础上去留那肯定不会得到想要的结果，因为单回路在管道的构造上就只能是单流，所以我们还得改封隔器里面的管道设计。要去了溢流阀成双回路的那必须就得有两根管。

2.2 优化方案二

在这种考虑之下我们想到了第二套方案：在双回路上加上溢流阀，只有这样才能做到去溢流阀是双回路，不去就是单回路，但是这溢流阀到底要加到哪儿呢，加到哪儿才能做到去留方便，管路简单，根据这一条件我们又制定出了两套子方案：①加在原来单回路的位置也就是致裂室里；②加在钻杆与封隔器的连接处。

首先分析第一套子方案，要是把溢流阀加在两封隔器之间，那就必须改变封隔器中的管道设计，转换主次管道，转换外接口，这样才可能做到去留交替变换。

其次分析第二套子方案，接在封隔器与钻杆之间（图3）

首先改变溢流阀的内部构造，因为要在双回路的端口加上溢流阀，那溢流阀的接口设计就必须是“一进两出”，即一个口进两个口出，这样就直接可以接上再无需更改封隔器的结构。（图4）

2.3 优化方案的对比与分析

要用单回路接上溢流阀，要用双回路只要取下溢流阀，然后封隔器两个接口分别接外界的钻杆与高压油管就可以了。对比两套方案进行分析：

第一套主要更改封隔器，而封隔器里面的管道构造比较复杂，而其外部主要由橡胶材料构成并且它还要承受十几兆帕的压力，所以对其的密封性有很高的要求。

第二套方案，主要是改造溢流阀，而溢流阀的内部设计简单，其整个设备全部由钢铁制成，所以密封性不成问题。而就成本来说第二套方案略低一点儿。

因此我们通过综合考虑，得出第二套方案具有更好的现实意义，不仅可以解决技术问题，也可以做到节省成本。完全符合我们的经济高效，精确实用的理念。

3 现场应用

采用第二套方案改造好的水压致裂法地应力测量设备对贵州某煤矿51519工作面F16断层下盘一侧14号煤层进行了抗张强度水压致裂测试，为断层防隔水煤柱留设宽度的计算提供了依据。测试钻孔布置如图5所示，钻孔参数见表1。

在S1孔测试时，23m处很难送入；S2孔28-30m为顶板灰岩；S3孔坍塌，测试仪被卡死无法取出，该孔报废；S4孔在40m处塌孔。各孔水压致裂测试结果见表2。

4 结论

①现场测试表面，优化方案可行，改造合理，止水效果好，实验数据准确可靠。

②该水压致裂法测试设备经过改造后，避免了测量时与造孔相互影响，明显的提高了工作效率，减轻劳动强度，并且质量轻、体积小，操作便捷适用于煤矿井下深部作业。

③通过对钻孔水压致裂法测试设备的优化，使其单回路和双回路设备相结合，更好的应用与各种环境下的地应力测量，并且增强了测量精确度。

④使用该仪器测定煤层抗张强度对推动突水预测技术和煤柱合理留设技术的深入发展具有现实意义，能够产生良好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]李飞，王述红，李正仁，王胜.地应力水压致裂法测量及其在隧道工程的应用[J].西部探矿工程，2009，4：178-181.

[2]王鹏，茅献彪，杜春志.煤层钻孔水压致裂的裂缝扩展研究[J].采矿与安全科学学报，2003（04）.

[3]张建.煤矿井下地质构造对地应力分布的影响[J].应用与实践，2015（02）.

[4]甄希翠，王云琪，郭赢.水压致裂法测试原理及岩石参数反演[J].山西建筑，2013（31）.

[5]曹金凤，孔亮.水压致裂法地应力测量的数值模拟[J].地下空间与工程学报，2012（01）.

[6]冀东，纪洪广，向鹏.关于深部地应力测量若干改进技术的探讨[J].矿业研究与开发，2012（01）.

[7]张重远，吴满路.地应力测量方法综述[J].河南理工大学学报（自然科学版），2012（03）.

[8]王成虎，宋成科.水压致裂应力测量系统柔性分析及其对深孔测量的影响[J].现代地质，2012（04）.

[9]林建.煤矿巷道中应用水压致裂法测量原岩应力的探讨与实践[A].中国科协2004年学术年会第16分会场论文集[C].北京：煤炭工业出版社，2004：359-3661.

[10]煤炭工业部.煤矿防治水规定[M].北京：煤炭工业出版社，2009.

[11]康红普，林健，张晓.深部矿井地应力测量方法研究与应用[J].岩石力学与工程学报，2007，35（4）：929-933.

[12]赵刚，董事尔.水压致裂法测量地应力理论与应用[J].山西建筑，2009（36）.

[13]杜春志.煤层水压致裂理论及应用研究[D].中国矿业大学，2008.