安居煤礦地應(yīng)力測試及其應(yīng)用研究

張書磊，于海鋒，張 寧，李 友

（1.山東濟(jì)礦魯能煤電股份有限公司 陽城煤礦，山東 濟(jì)寧 272502；2.山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引 言

初始地應(yīng)力的大小、方向及其分布狀態(tài)決定了深部巖體的受力狀態(tài)[1]。對于煤炭開采而言，地質(zhì)條件復(fù)雜，加之近年來開采深度的進(jìn)一步增大，導(dǎo)致高地應(yīng)力作用下的深部礦井巷道大變形、冒頂?shù)雀黝悶?zāi)害事故頻發(fā)，因此地應(yīng)力研究對于煤炭安全、高效開采具有重要意義[2]。

近年來，許多學(xué)者已對地應(yīng)力及其測量做了大量研究和分析，如蔡美峰等[3-5]發(fā)明了一種完全溫度補(bǔ)償?shù)牡貞?yīng)力測量方法和裝置，提出了符合工程巖體特性的測量理論與計(jì)算方法，為實(shí)現(xiàn)科學(xué)采礦創(chuàng)造了必要條件；康紅普等[6-7]基于對各種測量方法優(yōu)缺點(diǎn)的分析，提出了一種適用于深部煤礦巷道的小孔徑水壓致裂地應(yīng)力快速測量方法，并詳細(xì)闡述了其原理、裝置的組成部分以及技術(shù)特征，推進(jìn)了我國礦山地應(yīng)力測量的開展、普及與提高。張廣超[8-9]等對巨野礦區(qū)的地應(yīng)力場分布規(guī)律做了詳細(xì)研究，并結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造特征提出了具體的圍巖控制方法；劉江[10]等對伊泰礦區(qū)進(jìn)行了原巖應(yīng)力測量，分析了地應(yīng)力隨埋深的變化規(guī)律及相關(guān)的地應(yīng)力場分布特征；王炯等[11]研究了星村礦的地應(yīng)力特征，分析了地應(yīng)力場與區(qū)域構(gòu)造的關(guān)系。上述研究為我國煤炭開采積累了大量實(shí)測數(shù)據(jù)，促進(jìn)了我國地應(yīng)力的研究和發(fā)展。

本文采用空心包體應(yīng)力解除法對安居煤礦進(jìn)行了地應(yīng)力測量，補(bǔ)充了對該礦地應(yīng)力場的認(rèn)識，并在此基礎(chǔ)上分析了地應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響，提出了針對安居煤礦巷道布置及支護(hù)設(shè)計(jì)的合理化建議，對該礦的安全開采具有重要意義。

1 概 況

安居煤礦位于濟(jì)寧煤田中西部，北距兗新鐵路約8 km，東距濟(jì)寧市約8 km；井田東西寬2.3～10 km，南北長13 km，面積75.40 km2。礦井采用立井開拓，地形西北高東南低，自然地形坡度0.4‰。礦井主采煤層為3 上煤層，為全隱蔽的華北型石炭-二疊系含煤井田，全區(qū)厚度為0.67～4.60 m，平均2.68 m，開采標(biāo)高-820—-1800 m，平均-940 m。整體上井田東北部地層較淺，西南部較深，總體構(gòu)造形態(tài)為向SW 方向傾伏的寬緩向斜，地層傾角2°～19°，平均14°，礦井內(nèi)的主要斷層見表1。

表1 安居煤礦主要構(gòu)造一覽Table 1 List of main structures of Anju Mine

2 礦井地應(yīng)力實(shí)測

結(jié)合安居煤礦現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，采用空芯包體應(yīng)力解除法進(jìn)行地應(yīng)力現(xiàn)場原位測量。

2.1 技術(shù)裝備及測點(diǎn)選取

2.1.1 技術(shù)裝備選擇

此次地應(yīng)力測量采用的空心包體應(yīng)力解除法，是目前測量方法中唯一可以在單孔中取得測點(diǎn)三維應(yīng)力狀態(tài)的方法。

2.1.2 測點(diǎn)位置選取

測點(diǎn)選取應(yīng)滿足：①具有一定的代表性；②需避開采空區(qū)及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地段；③兼顧生產(chǎn)、安全以及測量工作效果；④鉆孔需位于同一巖層。綜上原則并結(jié)合安居煤礦的開采條件，共選取如圖1所示的2 個(gè)測點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)特征見表2。

圖1 測點(diǎn)位置分布Fig.1 Location distribution of measuring points

表2 測點(diǎn)技術(shù)特征Table 2 Technical characteristics of measuring points

2.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

為獲得原巖應(yīng)力所需如彈性模量、泊松比等關(guān)鍵參數(shù)，將礦方在測點(diǎn)附近所取巖樣做成標(biāo)準(zhǔn)件，進(jìn)行有卸載循環(huán)的巖石力學(xué)試驗(yàn)，如圖2 所示。巖石的彈性模量E和泊松比μ具體按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

圖2 卸載循環(huán)力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)Fig.2 Unloading cycle mechanical parameter test

式中：σ 為軸向的應(yīng)力；ε 為軸向應(yīng)變；εh為軸向應(yīng)變；εv為單軸抗壓強(qiáng)度50%時(shí)的徑向應(yīng)變。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測試，得出測點(diǎn)1 彈性模量25 GPa，泊松比0.32；測點(diǎn)2 彈性模量30G Pa，泊松比0.30。

2.3 現(xiàn)場測量過程及關(guān)鍵步驟

①打地質(zhì)鉆孔，先打出巷寬1.5～2 倍，直徑130 mm 的測量大孔，然后打出深6～8 cm 的變徑導(dǎo)向孔，再換直徑36 mm 的小鉆頭，鉆出孔深40 cm 的測量小孔；②安裝空心包體，先利用棉紗、洗孔器、丙酮，清洗鉆孔，然后測量小孔長度，按比例配制環(huán)氧膠粘結(jié)劑，再按順序?qū)⒖招陌w、定位器及導(dǎo)桿安裝，保證A 應(yīng)變片豎直向上；③測量鉆孔參數(shù)，待環(huán)氧膠粘結(jié)后，依次取出定位器、導(dǎo)向器、導(dǎo)向桿，然后用地質(zhì)羅盤測量鉆孔的方位角與傾角；④校核應(yīng)變儀，分段標(biāo)記解除距離，隨鉆機(jī)推進(jìn)逐步加長鉆桿，同時(shí)注水并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；待應(yīng)變儀讀數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)，停止解除并取出帶有應(yīng)力計(jì)的巖芯。

3 地應(yīng)力測試結(jié)果及分析

結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與測量過程獲得的應(yīng)力解除曲線，計(jì)算出各個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果，從主應(yīng)力的大小、方向等方面對地應(yīng)力場進(jìn)行綜合分析。

3.1 地應(yīng)力測量結(jié)果

根據(jù)上述地應(yīng)力測量過程獲得的應(yīng)變值，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，繪制出y（n）曲線，如圖3 所示。

圖3 應(yīng)力解除曲線Fig.3 Stress relief curve

分析可知，解除過程可大致分3 個(gè)階段：①應(yīng)力解除面未到達(dá)應(yīng)變片截面時(shí)，各個(gè)通道監(jiān)測到的應(yīng)變值較小，可理解為“開挖效應(yīng)”引起的圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移；②應(yīng)力解除面通過應(yīng)變片所在截面時(shí)，應(yīng)變值逐漸增加直至達(dá)到最大值；③應(yīng)力解除面通過應(yīng)變片所在截面后，各個(gè)通道應(yīng)變值有不同程度的降低，最終趨于穩(wěn)定。將穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)作為初始應(yīng)變數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果匯總見表3。

表3 測量結(jié)果匯總Table 3 Summary of measurement results

3.2 地應(yīng)力場分布特征及分析

3.2.1 垂直主應(yīng)力誤差分析

根據(jù)實(shí)測結(jié)果，垂直主應(yīng)力的范圍為24.30～29.63 MPa，平均值為26.97 MPa。為驗(yàn)證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文首先計(jì)算出垂直應(yīng)力理論值，然后將理論值與各測點(diǎn)的實(shí)測結(jié)果值列于表4 進(jìn)行對比分析，垂直應(yīng)力σv理論值按式（2）計(jì)算。

表4 垂直應(yīng)力誤差分析Table 4 Vertical stress error analysis

式中：γ 為巖層容重，取25 kN/m3；H 為深度。

由表4 可知，實(shí)測結(jié)果的誤差值最大為8.5%，最小2.8%，平均誤差不超過6%，理論值與實(shí)際測量值吻合較好，說明測量結(jié)果準(zhǔn)確性較高。

3.2.2 地應(yīng)力場量級及類型

將5 個(gè)測點(diǎn)的最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的方位角以及應(yīng)力值匯總在立體網(wǎng)格上，如圖4 所示。統(tǒng)計(jì)分析可知：安居煤礦的最大主應(yīng)力值為40.73～60.41 MPa，平均為50.57 MPa；最小主應(yīng)力為20.05～25.27 MPa，平均為22.66 MPa；中間主應(yīng)力為26.37～30.45 MPa，平均為28.41 MPa。根據(jù)應(yīng)力區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)，安居煤礦1 號測點(diǎn)、2 號測點(diǎn)所代表的應(yīng)力區(qū)均屬于超高應(yīng)力區(qū)，因此應(yīng)特別重視由高應(yīng)力引起的一系列采場動力現(xiàn)象。

圖4 主應(yīng)力分布立體網(wǎng)格圖Fig.4 Dimensional grid diagram of principal stress distribution

進(jìn)一步分析可知，安居煤礦應(yīng)力場類型特征呈現(xiàn)為σH＞σv＞σh，以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，垂直主應(yīng)力為第二主應(yīng)力。最大水平主應(yīng)力σH與最小水平主應(yīng)力σh的比值介于2.03～2.39，在量值上相差較大，這使得水平應(yīng)力對巷道頂、底板的影響表現(xiàn)出較明顯的方向性；最大水平主應(yīng)力σH的大小約為垂直主應(yīng)力σv的1.54～1.98 倍，由“最大主應(yīng)力原理”可知，此類型地應(yīng)力場對巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性影響較大。

3.2.3 主應(yīng)力方向及側(cè)壓系數(shù)分布特征

對安居煤礦最大主應(yīng)力方向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，1 號、2 號測點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力方向分別為117.49°和115.46°，平均為118.47°，因此可以確定，安居煤礦地應(yīng)力場的方向?yàn)镋SE-WNW 向（E28.47°S）。此外，根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果匯總表可知兩測點(diǎn)均有2 個(gè)主應(yīng)力方向接近水平方向，其傾角在±20°之間，其垂直方向的主應(yīng)力σv與垂直方向偏角分別為20.09°、8.24°。結(jié)合巷道方位特征可知，1 號測點(diǎn)處巷道呈東北-西南走向，2 號測點(diǎn)處巷道呈南-北走向，巷道軸向與測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力σH分別呈65°、41°夾角，如圖5所示。

圖5 巷道與主應(yīng)力夾角示意Fig.5 Included angle between roadway and principal stress

側(cè)壓系數(shù)是描述地應(yīng)力場的物理量之一，其大小為水平主應(yīng)力平均值與垂直主應(yīng)力的比值，也即：λ=（σH+σh）/2σv。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，安居煤礦的側(cè)壓系數(shù)為1.15～1.41，平均值為1.28。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 地應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性影響分析

（1）根據(jù)安居煤礦地應(yīng)力測量結(jié)果，1 號、2號測點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力方向均為ESE-WNW 向。因此可以推測，在已掘巷道中，井底車場附近水平主應(yīng)力對東南-西北走向的大巷影響較大；在-1 155 m 水平變電所附近，水平主應(yīng)力對南北走向的大巷影響較小。

（2）垂直主應(yīng)力超過25 MPa，側(cè)壓系數(shù)相對較高（1.15～1.41），這對巷道、硐室的穩(wěn)定性極為不利，在最大水平應(yīng)力作用下，頂?shù)装鍘r層極易發(fā)生剪切破壞，從而進(jìn)一步增大圍巖變形。因此在支護(hù)時(shí)應(yīng)該要求錨桿強(qiáng)度大、剛度大、抗剪能力強(qiáng)，才能起到相應(yīng)的約束作用。

（3）礦井測點(diǎn)所在區(qū)域?qū)儆诔邞?yīng)力區(qū)，且存在巷道軸向近乎垂直于最大水平主應(yīng)力的情況，在同等巖性和巷道支護(hù)條件下，該區(qū)域內(nèi)的巷道將表現(xiàn)出更為明顯的底鼓及頂板下沉現(xiàn)象，同時(shí)也增加了巷道發(fā)生動力災(zāi)害的危險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)巷道支護(hù)并保持對巷道動力現(xiàn)象的持續(xù)關(guān)注。

4.2 巷道設(shè)計(jì)及支護(hù)建議

根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果及上述分析，對安居煤礦的巷道設(shè)計(jì)及支護(hù)提出如下建議。

（1）應(yīng)重視巷道頂?shù)装宓目刂茊栴}，特別當(dāng)頂?shù)装鍨閺?qiáng)度較低、整體性較差的巖體時(shí)，更應(yīng)提高頂?shù)装逯ёo(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)性。

（2）對于未開掘的巷道，要盡可能的避免出現(xiàn)巷道軸線方向與最大水平應(yīng)力方向垂直的情況，以減少水平應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響。

（3）當(dāng)必須布置巷道掘進(jìn)方向與最大水平應(yīng)力垂直時(shí)，應(yīng)該提高巷道的初次支護(hù)強(qiáng)度，防止巷道兩幫和頂?shù)装灏l(fā)生大范圍的變形破壞，同時(shí)還要充分考慮最大水平應(yīng)力的大小，既要避免支護(hù)強(qiáng)度不夠，也要避免過度支護(hù)。

（4）要多開展地應(yīng)力測量工作，在掌握大量地應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用以地應(yīng)力實(shí)測為基礎(chǔ)的信息反饋設(shè)計(jì)法進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，以使巷道支護(hù)參數(shù)更能符合實(shí)際受力狀況。

5 結(jié) 論

（1）礦井的最大主應(yīng)力平均值為50.57 MPa；主應(yīng)力方向?yàn)?18.47°（E28.47°S）；屬于水平應(yīng)力占絕對主導(dǎo)的σH＞σv＞σh型地應(yīng)力場，在量級上屬于超高應(yīng)力區(qū)。

（2）礦井側(cè)壓系數(shù)λ 范圍為1.15～1.41，平均值為1.28；垂直主應(yīng)力平均誤差不超過6%，說明測量結(jié)果準(zhǔn)確性較高。

（3）巷道在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮加強(qiáng)頂?shù)装宓某醮沃ёo(hù)強(qiáng)度，同時(shí)要加強(qiáng)礦井對動力災(zāi)害的預(yù)防。