三維地應(yīng)力場測試及圍巖穩(wěn)定性分析

秦寶華， 李岡峨

(1. 河南有色巖土工程公司， 鄭州 450000； 2. 中原工學院， 鄭州 450007)

摘要：為解決渦北煤礦-450水平運輸大巷破壞嚴重的問題，采用巖石Kaiser效應(yīng)法對-450水平進行地應(yīng)力測量。結(jié)果表明：-450水平最大主應(yīng)力為15.36 MPa，屬中高應(yīng)力區(qū)，水平應(yīng)力過大不利于巷道維護。在地應(yīng)力測試基礎(chǔ)上，應(yīng)用UDEC數(shù)值模擬對變形量進行了預(yù)測。研究表明，錨桿支護完全能夠滿足圍巖穩(wěn)定的要求，可為巷道開挖提供合理的支護方案，為礦區(qū)巷道圍巖控制提供借鑒和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：地應(yīng)力測量；Kaiser效應(yīng)；圍巖穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU443

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.03.018

Abstract:To solve the problem of transportation roadway serious damage in -450m of Wobei mine, the in-situ stress has been measured by Kaiser effect of rock. The results show that the maximum principal stress at -450m is 15.36MPa, which is in a high stress area, and the high horizontal stress is unfavorable for roadway support. Based on the analysis of test, the numerical simulation UDEC method is applied to predict for the deformation amount. It is shown that bolting is able to suffice the requirements of rock stability. Supporting program is provided for roadway excavation, it is the learned and guiding significance to control the surrounding rocks.

隨著國家經(jīng)濟發(fā)展對礦產(chǎn)需求量的日益加大，礦產(chǎn)開采深度不斷加大，礦井巷道的建設(shè)和維護越來越困難，復(fù)雜地質(zhì)力學環(huán)境下高應(yīng)力區(qū)圍巖穩(wěn)定和支護問題成為當前安全生產(chǎn)亟待解決的重大問題[1-2]。地應(yīng)力是引起地下工程變形和破壞的根本作用力，是決定區(qū)域穩(wěn)定性的重要因素，也是進行巖體工程問題數(shù)值計算的初始條件[3-4]。對巷道原巖地應(yīng)力和圍巖的應(yīng)力分布特征進行測量和研究，是實現(xiàn)圍巖穩(wěn)定性分析和支護設(shè)計的理論依據(jù)[5]。目前在巖石力學與地下工程領(lǐng)域主要采用水力壓裂法[6-7]和應(yīng)力解除法[8]測試該點的三維地應(yīng)力大小，由于現(xiàn)場巖體應(yīng)力測量是一項操作困難、成本較高的工作，而巖石Kaiser效應(yīng)測試地應(yīng)力的方法具有可靠、快速、經(jīng)濟等優(yōu)點，受到越來越多的重視，現(xiàn)已逐步推廣到工程實際中[9]。

渦北煤礦位于淮北煤田渦陽礦區(qū)的東北部，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)單一，總體上為走向南北且向西傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角一般在20～30°之間，主體構(gòu)造表現(xiàn)為一遭受斷層(塊)切割了的西傾單斜。為解決-450水平運輸大巷破壞嚴重的問題，采用巖石Kaiser效應(yīng)法對-450水平進行地應(yīng)力測量，為圍巖穩(wěn)定性分析提供了準確的參數(shù)。

1試驗

1.1試件制取

鉆孔取芯位置布置在8#煤頂板泥巖內(nèi)，距地表的埋深為450 m，頂板巖性基本完整，鉆孔打到巷道影響圈之外的原巖應(yīng)力區(qū)，取出未經(jīng)擾動的巖芯。為了計算原巖主應(yīng)力和主方向，必須獲得6個獨立的應(yīng)力分量，故對鉆取巖芯的6個方向進行取芯。首先建立以鉆孔水平方向為x軸，鉛垂方向為y軸，軸線為z軸的空間直角坐標系，如圖1所示。分別沿3個軸線方向以及xoy面45°方向、xoz面60°方向和yoz面60°方向鉆取巖芯。制備2組共12塊直徑為25 mm、高度為60 mm的圓柱形試件，見圖2。

圖1　定向取芯空間坐標系圖

圖2　聲發(fā)射試驗巖芯實物

1.2試驗過程

巖石Kaiser效應(yīng)檢測系統(tǒng)主要由MTS815型電液伺服巖石力學實驗系統(tǒng)進行加載，采用位移控制模式，加載速率為0.003 mm/s和0.004 mm/s，聲發(fā)射測定采用AE-04聲發(fā)射檢測系統(tǒng)。試驗過程由計算機全程控制檢測，并自動采集試驗數(shù)據(jù)。

2試驗結(jié)果與圍巖穩(wěn)定性分析

2.1試驗結(jié)果

對12個巖塊試件進行地應(yīng)力測試，分析計算6個方向的應(yīng)力分量值，見表1。一點的地應(yīng)力狀態(tài)由三維地應(yīng)力張量表示，要明確表示出該地應(yīng)力狀態(tài)，必須確定合適的坐標系，經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換可得大地坐標OXYZ下的地應(yīng)力，見圖1。大地坐標下的地應(yīng)力測試結(jié)果見表2，主應(yīng)力空間矢量關(guān)系圖如圖3所示。

表1　各方向應(yīng)力分量值

2.2地應(yīng)力場分布特征及圍巖穩(wěn)定性分析

(1)上述測量結(jié)果表明，渦北礦區(qū)-450水平屬中高應(yīng)力場區(qū)。

表2　主應(yīng)力大小及方向

圖3　主應(yīng)力空間矢量關(guān)系圖

(2)上覆巖層的平均重力密度γ=2.4 g/cm3，其自重應(yīng)力約為10.58 MPa，實測鉛垂應(yīng)力分量為9.18 MPa，說明該區(qū)域內(nèi)存在構(gòu)造應(yīng)力。

(3)根據(jù)最大水平應(yīng)力理論[10]，巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響：①與最大水平主應(yīng)力平行的巷道，圍巖穩(wěn)定性好；②與最大水平主應(yīng)力斜交的巷道，圍巖的變形偏向巷道的某一側(cè)，且可以預(yù)測出來；③與最大水平主應(yīng)力垂直的巷道，圍巖穩(wěn)定性最差，易發(fā)生失穩(wěn)破壞。測量結(jié)果顯示：測量區(qū)域內(nèi)沿東西方向的水平擠壓應(yīng)力分量Px較大，其作用方向正好與運輸大巷正交，較大的水平作用力不利于巷道的維護，在今后的施工中應(yīng)加強側(cè)幫支護。

2.3UDEC數(shù)值模擬

以往的數(shù)值模擬和錨桿支護設(shè)計，由于沒有對地應(yīng)力進行測試，往往僅考慮垂直應(yīng)力的作用。本文進行的錨桿支護圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬計算，將3個主應(yīng)力換算為作用在巷道上的垂直應(yīng)力和軸向水平應(yīng)力，充分反映了地應(yīng)力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，進一步完善了錨桿支護的科學性、合理性。

UDEC離散元數(shù)值分析的主要參數(shù)及取值如表3所列，將3個主應(yīng)力分解、疊加計算得出，施加在模型上邊界的垂直應(yīng)力為9.18 MPa，水平應(yīng)力為9.42 MPa；采用20螺紋鋼錨桿進行支護，間排距為800 mm×800 mm，長度L分別為1 800 mm和2 000 mm。計算結(jié)果如圖4所示。

表3　模型中各巖層力學參數(shù)

(a)L=2 000兩幫位移

(b) L=1 800兩幫位移

(c) L=2 000頂板位移

(d) L=1 800頂板位移 圖4　幫部和頂板位移圖

數(shù)值模擬結(jié)果顯示：

(1)巷道圍巖周邊壓力較小，接近原始應(yīng)力，頂?shù)装逦灰圃?00 mm左右，在深部巷道服務(wù)期屬正?，F(xiàn)象，說明采區(qū)下山是安全、穩(wěn)定的；

(2)錨桿長度加大并在有效的煤柱留設(shè)時巷道變形加大，其原因是巷道在高地應(yīng)力條件下，圍巖產(chǎn)生流變運動，而錨桿采用端錨技術(shù)，加固的圍巖厚度和強度有限，圍巖流變運動造成圍巖松動圈加大，從而使巷道逐步失穩(wěn)產(chǎn)生破壞。因此，應(yīng)加長錨固長度，使巷道形成較強的支護結(jié)構(gòu)。

3結(jié)語

(1)-450水平屬中應(yīng)力場區(qū)，且存在一定的構(gòu)造應(yīng)力；

(2)地應(yīng)力測量為礦區(qū)深部巷道支護與沖擊地區(qū)的防治提供了可靠的依據(jù)和參數(shù)，實現(xiàn)了以地應(yīng)力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的錨桿支護初始設(shè)計。測量結(jié)果已在渦北煤礦的采區(qū)巷道錨桿支護設(shè)計中得到充分的應(yīng)用，并取得了良好的效果；

(3)在高地應(yīng)力條件下，巷道圍巖易產(chǎn)生流變運動，端錨技術(shù)難以控制圍巖松動圈的擴大，使巷道逐步失穩(wěn)產(chǎn)生破壞。因此，應(yīng)加長錨固長度，使巷道形成較強的支護結(jié)構(gòu)。

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(責任編輯：陸俊杰)

Measurement of Three-dimensional In-situ Stress

and Stability Analysis for Surrounding Rocks

QIN Bao-hua1, LI Gang-e2

(1. Henan Nonferrous Geotechnical Engineering Company，Zhengzhou 450000；

2. Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007， China )

Key words：in-situ stress measurement；Kaiser effect；stability of surrounding rocks；numerical simulation