[发明专利]基于胶囊压力变化的采前应力分布特征测试系统和方法

说明书

本发明公开了一种基于胶囊压力变化的采前应力分布特征测试系统和方法，适用于煤层地应力测试使用。该测试系统包括注水泵、注水管路、压力表、推杆和封孔胶囊，在采面前方的煤层底板巷中沿着煤层底板巷间隔向煤层施工两组穿层钻孔，利用推杆将封孔胶囊送入穿层钻孔底部，向封孔胶囊注水，当注水泵无法继续注入时记录此时压力表读数后停止注水，当压力表读数降低时，继续向封孔胶囊内注水补充；随着工作面的推进，记录各穿层钻孔对应的压力表读数，从而获得工作面推进中煤层应力的分布变化信息。本发明步骤简单，能够快速有效的判断采面前方卸压区、应力集中区、原岩应力区位置。

技术领域

本发明涉及一种采前应力分布特征测试系统和方法，尤其适用于煤层地应力测试使用的一种基于胶囊压力变化的采前应力分布特征测试系统和方法。

背景技术

煤矿井下采矿作业破坏了原始地层中的应力平衡状态，使煤岩体应力重新分布。在采掘空间形成的较短时间内，在采掘空间界面处形成较高的应力集中。当集中应力达到煤体的强度极限后，该部分煤体首先发生屈服变形，使应力集中向煤体深部转移，经过一段时间后，在采面前方依次形成卸压区、应力集中区和原始应力区。卸压区和塑性区的的煤体经受应力集中，达到煤体最大承载力，形成极限应力区。极限应力区的应力状态和卸压带的长短对煤与瓦斯突出有很大影响。

应力场有方向性，采面前方卸压区、应力集中区和原始应力区的三向应力值往往不同，这种差异将会导致煤岩体力学行为的差异，进而会影响裂隙的开闭机制、瓦斯流动状态和煤与瓦斯的突出危险性。在目前深部开采过程中，水平应力占主导地位。

地应力是导致煤与瓦斯突出的最主要因素之一。目前，地应力的测试主要方法有表面应力测量法，套孔应力解除法和水压致裂法，套孔应力解除法又分为孔壁应变法、孔径变形法和孔底应变法，孔壁应变法又分为直接贴片式和空心包体法。当前应用最广泛的方法为空心包体解除法和水压致裂法。由于煤具有显著的塑性变形，而上述方法都建立在弹性理论的基础上，只适用于硬岩地层的地应力测试，针对于煤层的地应力测试研究较少。

目前卸压带宽度测试的主要方法有钻屑法、瓦斯含量法、钻孔瓦斯初速度法和瓦斯抽采参数法。上述方法是利用钻屑、瓦斯和抽采等参数来间接反映采面前方的应力变化，而对于应力的状态直接测试研究较少。

发明内容

针对现有技术的不足之处，提供一种基于胶囊压力变化的采前应力分布特征测试系统和方法，通过不同钻孔里的胶囊内部充液压力变化，判断煤层采面前方应力分布特征，为确定采面前方卸压带宽度、布置防突措施的范围和下一步的采掘部署提供技术和方法指导。

为实现上述发明目的，本发明的一种基于胶囊压力变化的采前应力分布特征测试系统，包括封孔胶囊和推杆，封孔胶囊通过注水管路连接有注水泵，注水泵为手动液压注水泵，注水管路上分别设有压力表和开关阀。

一种基于胶囊压力变化的采面前方地应力测试系统的测试方法，其步骤如下：

步骤一，在采面前方的煤层底板巷中沿着煤层底板巷间隔向煤层施工两组穿层钻孔，其中一组穿层钻孔与垂直于巷道方向成45°布置，另一组穿层钻孔与平行于巷道方向成45°布置；

步骤二，将封孔胶囊和注水管路里注满水实现排气，排气之后将封孔胶囊内部水排出；

步骤三，连接好注水管路和封孔胶囊，利用推杆将封孔胶囊送入穿层钻孔底部，并将压力表露在穿层钻孔外侧方便读数；

步骤四，开启阀门，利用注水泵通过注水管路向封孔胶囊注水，设定初始注水压力为5-10MPa，封孔胶囊在注水2min后膨胀；

步骤五，当注水泵无法继续注入时记录此时压力表读数，关闭阀门，停止注水，通过设置在注水管路上的压力表观测封孔胶囊内水压变化，当压力表读数降低时，可以继续向封孔胶囊内注水补充；当压力表读数稳定并与上次记录的压力值相同时，说明膨胀后的封孔胶囊已经与穿层钻孔内壁紧密贴合了，之后进行注浆封孔，封孔段长度为钻孔深度的1/3，以防止瓦斯泄露；