千米深井地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)研究與應(yīng)用

邢世坤

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000）

大量的煤礦開采實(shí)踐表明，生產(chǎn)過程中發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象如巷道變形、頂板來壓、沖擊地壓、瓦斯突出等都與礦井地應(yīng)力有密切的關(guān)系。在進(jìn)行數(shù)值模擬和巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，地應(yīng)力參數(shù)往往都是以靜水壓力理論為依據(jù)計(jì)算得來的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，隨著煤礦開采深度的增大，基于靜水壓力的理論計(jì)算值的誤差增大，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中造成支護(hù)設(shè)計(jì)等不符合現(xiàn)場(chǎng)要求，給煤礦安全生產(chǎn)帶來隱患。為此，在深部礦井開展地應(yīng)力測(cè)量，具有重要的意義。

1 概 況

邢東礦于2001 年11 月建成投產(chǎn)，目前開采山西組2 號(hào)煤層，邢東礦地表被第四系松散沉積物覆蓋，屬于全掩蓋區(qū)。所采煤層為2 號(hào)煤，位于山西組下部，是井田最主要的可采煤層，此次原位地應(yīng)力測(cè)試的1200 采區(qū)1224 區(qū)段，其煤層及其頂?shù)装鍘r性的分布如圖1 所示。

圖1 1224 工作面綜合柱狀圖Fig.1 Synthesis column of No.1224 Face

2 井下地應(yīng)力測(cè)試

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)選擇

當(dāng)前常用的地應(yīng)力測(cè)量方法有空心包體鉆孔應(yīng)力解除法和水壓致裂法2 種。水壓致裂法是一種二維的測(cè)量方法，僅能確定最大和最小主應(yīng)力，對(duì)中間主應(yīng)力測(cè)量難度大甚至無法測(cè)量，而應(yīng)力解除法可以通過12 個(gè)應(yīng)變片對(duì)鉆孔圍巖內(nèi)的應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。結(jié)合邢東礦的實(shí)際情況，確定采用空心包體鉆孔應(yīng)力解除法。

此次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試目的是獲取邢東礦1200 采區(qū)1224 區(qū)段的地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，地點(diǎn)是根據(jù)1224 區(qū)段已知地質(zhì)構(gòu)造、煤層及頂?shù)装宓膹?qiáng)度等生產(chǎn)地質(zhì)條件資料，先在礦井采掘工程平面圖上預(yù)選出一些可行的位置點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)位置盡量選取受采動(dòng)影響較小并且遠(yuǎn)離斷層等地質(zhì)構(gòu)造帶的區(qū)域，在圖紙上初步選取位置后，井下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘確定。最終選取邢東礦2 處地應(yīng)力測(cè)試任務(wù)點(diǎn)，分別編號(hào)為1 號(hào)、2號(hào)測(cè)點(diǎn)。1 號(hào)測(cè)點(diǎn)位于1300 集中運(yùn)料巷中部，距離密閉墻73 m 處，沿掘進(jìn)方向右?guī)停? 號(hào)測(cè)點(diǎn)布置在1200 集中運(yùn)料巷導(dǎo)G28A 前32 m 右?guī)吞帲?個(gè)測(cè)點(diǎn)布置如圖2 所示。在2 個(gè)測(cè)點(diǎn)巷幫距巷道底板1.5 m 施工鉆孔，向上傾斜3°～5°，鉆孔深度為10 m，如圖3 所示。

圖2 地應(yīng)力測(cè)量測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Measurement points arrangement of in-situ stress test

圖3 地應(yīng)力鉆孔示意Fig.3 Drilling indication of in-situ stress test

2.2 測(cè)試步驟

地應(yīng)力測(cè)試分4 個(gè)步驟進(jìn)行。

2.2.1 施工地質(zhì)鉆孔

采用專用的鉆頭，在測(cè)點(diǎn)巷幫指定位置施工鉆孔，鉆孔直徑為133 mm，鉆孔角度不宜過大，采取近水平施工，以保證應(yīng)變計(jì)的安裝位置位于原巖應(yīng)力區(qū)。

當(dāng)鉆孔至預(yù)定長(zhǎng)度時(shí)，取出巖芯，并編號(hào)套袋保護(hù)巖芯。之后，采用長(zhǎng)370 mm，直徑40 mm 的小鉆頭打空心包體小孔，如圖4 所示。

圖4 套孔施工Fig.4 Hole construction

2.2.2 安裝空心包體

將配制好的環(huán)氧膠倒入應(yīng)力計(jì)的空腔，用鋁絲銷子進(jìn)行固定，將空心包體安裝到定位器上，伸入測(cè)量鉆孔內(nèi)，然后將環(huán)氧膠擠出，使得包體與鉆孔孔壁緊密貼合，如圖5 所示。

圖5 空心包體探頭安裝Fig.5 Hollowinclusion probe installation

2.2.3 取導(dǎo)向桿

15 h 后，環(huán)氧膠完全固化，利用定向儀測(cè)量鉆孔內(nèi)包體的角度，同時(shí)記錄鉆孔參數(shù)。之后，取出安裝鉆桿和定向儀。

2.2.4 應(yīng)力解除

將空心包體的導(dǎo)線電纜從取芯管、鉆桿孔、鉆機(jī)和改裝過的水節(jié)頭穿出，連接到數(shù)字應(yīng)變儀上。開動(dòng)鉆機(jī)注水，讀取記錄應(yīng)變儀上的讀數(shù)。套筒取芯，作應(yīng)力解除，此時(shí)應(yīng)變儀上應(yīng)變數(shù)值會(huì)變化，并自動(dòng)將應(yīng)變數(shù)值記錄在應(yīng)變儀中，套芯結(jié)束后，取出帶有空心包體的巖芯，將巖芯包裹好，防止巖性發(fā)生改變，將巖芯帶到地面，準(zhǔn)備下一步試驗(yàn)。取芯過程如圖6 所示。

圖6 應(yīng)力解除Fig.6 Stress release

3 地質(zhì)力學(xué)評(píng)價(jià)

3.1 測(cè)孔巖芯物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

通過加載使試件軸向壓縮和軸向膨脹，帶動(dòng)表面的橫縱應(yīng)變片變形，通過連接計(jì)算機(jī)可以測(cè)得應(yīng)變片應(yīng)變，即被壓縮試件的橫縱應(yīng)變值。該試驗(yàn)可以由試件破壞時(shí)的破壞載荷得到巖石的抗壓強(qiáng)度Rc；通過巖石應(yīng)變，由應(yīng)力- 應(yīng)變曲線得到巖石的彈性模量和泊松比。

巖石劈裂試驗(yàn)是通過對(duì)塊狀試件側(cè)面加壓來達(dá)到拉應(yīng)力的效果，通常采用“巴西劈裂法”對(duì)圓盤試件或方片式試件進(jìn)行加壓試驗(yàn)達(dá)到拉伸的效果，求得巖石的抗拉強(qiáng)度為σt。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到2 組試件的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比，見表1。

表1 巖樣單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)匯總Table 1 Data summary of uniaxial compressive strength of rock sample

3.2 測(cè)孔巖芯的地質(zhì)力學(xué)評(píng)價(jià)

以1 號(hào)測(cè)點(diǎn)為例，地質(zhì)力學(xué)評(píng)價(jià)如下。

（1） 巖芯描述。地應(yīng)力測(cè)試過程所取巖芯完整，根據(jù)顏色及巖石顆粒判斷，巖性為砂巖。

（2） 普氏評(píng)價(jià)。巖石的單軸抗壓強(qiáng)度為86.5 MPa，普氏系數(shù)為8.7，抗壓試驗(yàn)前巖樣表面平整，未發(fā)現(xiàn)裂隙存在，試驗(yàn)過程中巖石出現(xiàn)縱向裂隙，并且發(fā)出較大聲音，由此判斷巖石儲(chǔ)量的彈性能較大，并且?guī)r石的彈性模量為31.09 GPa，綜合判斷該巖石屬于硬巖。

（3） RQD 評(píng)價(jià)?，F(xiàn)場(chǎng)采用外徑133 mm 的套筒取芯，記錄取芯總長(zhǎng)度為2.5 m，其中長(zhǎng)度大于10 cm 的巖芯測(cè)量總長(zhǎng)度為1.6 m，由RQD 計(jì)算方法，計(jì)算得到1 號(hào)巖芯的巖石完整性指數(shù)為64%，根據(jù)巖石工程分級(jí)，巖石取芯完整性中等。

綜合以上對(duì)1 號(hào)鉆孔巖芯評(píng)價(jià)，可知其巖性為白色砂巖，巖石顆粒致密，強(qiáng)度高，完整性中等，巖石質(zhì)量較好。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理及分析

4.1 地應(yīng)力測(cè)試數(shù)值整理

4.1.1 1 號(hào)孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

1 號(hào)鉆孔處所測(cè)得的地應(yīng)力大小和方向數(shù)據(jù)見表2。

表2 1 號(hào)測(cè)孔主應(yīng)力大小和方向Table 2 Principal stress magnitude and direction of No.1 measuring hole

4.1.2 2 號(hào)孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

2 號(hào)鉆孔處所測(cè)得的地應(yīng)力大小和方向數(shù)據(jù)見表3。

表3 2 號(hào)測(cè)孔主應(yīng)力大小和方向Table 3 Principal stress magnitude and direction of No.2 measuring hole

4.2 地應(yīng)力測(cè)試分析

綜合1 號(hào)、2 號(hào)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果，邢東礦地應(yīng)力的分布見表4。

通過表4 可以看出，邢東礦地應(yīng)力呈現(xiàn)出如下特點(diǎn)。

表4 邢東礦地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)匯總Table 4 Stress test data summary of Xingdong Mine

（1） 地應(yīng)力大。本次測(cè)試，2 個(gè)測(cè)點(diǎn)埋深在809～820 m，從測(cè)試結(jié)果來看，邢東礦地應(yīng)力總體較大，1 號(hào)測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力為33.1 MPa，2 號(hào)測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力為32.5 MPa。

（2） 原巖應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主。2 個(gè)測(cè)點(diǎn)均表現(xiàn)出σH＞σv＞σh，即水平主應(yīng)力為最大主應(yīng)力，而水平應(yīng)力主要作用于巷道頂?shù)装?，因此在?shí)際生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

（3） 側(cè)壓系數(shù)。2 個(gè)測(cè)點(diǎn)1 號(hào)、2 號(hào)側(cè)壓系數(shù)分別為1.81 和1.45，礦井水平應(yīng)力較大，存在構(gòu)造應(yīng)力的影響因素。

5 結(jié) 論

（1） 應(yīng)力解除法可以通過12 個(gè)應(yīng)變片對(duì)鉆孔圍巖內(nèi)的應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，結(jié)合邢東礦的實(shí)際情況，確定采用空心包體鉆孔應(yīng)力解除法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量。

（2） 邢東礦頂板巖石的單軸抗壓強(qiáng)度為86.5 MPa，彈性模量為31.09 GPa，巖石完整性指數(shù)為64%，巖石取芯完整性中等，巖石顆粒致密，強(qiáng)度高，完整性中等，巖石質(zhì)量較好。

（3） 邢東礦地應(yīng)力總體較大，其中水平應(yīng)力為最大主應(yīng)力，且水平應(yīng)力數(shù)值較大，存在構(gòu)造應(yīng)力，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)巷道頂板的支護(hù)。