長平煤礦地應(yīng)力分布規(guī)律研究及其應(yīng)用

張文彬

(晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)長平公司,山西晉城 048006)

礦壓與災(zāi)害控制

長平煤礦地應(yīng)力分布規(guī)律研究及其應(yīng)用

張文彬

(晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)長平公司,山西晉城 048006)

隨著長平煤礦開拓延伸,地應(yīng)力對圍巖變形與破壞的影響更加突出,在全礦進(jìn)行地應(yīng)力實測,并分析地應(yīng)力場分布規(guī)律具有重要意義。利用澳大利亞鉆孔套芯應(yīng)力解除設(shè)備,在全礦選擇 9個點進(jìn)行地應(yīng)力三維測量。實測數(shù)據(jù)表明:井田東部與西部水平主應(yīng)力受褶斷的影響差異較大,屬于構(gòu)造應(yīng)力場類型,地應(yīng)力水平從東到西逐漸由中等應(yīng)力區(qū)向高等應(yīng)力區(qū)發(fā)展;采用回歸方法分析了地應(yīng)力隨埋藏深度的變化規(guī)律以及水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值同埋藏深度的關(guān)系;利用地應(yīng)力分布規(guī)律分析地應(yīng)力對現(xiàn)有巷道的影響,對未開采盤區(qū)巷道的布置和支護(hù)設(shè)計提供參考。

地應(yīng)力測量;應(yīng)力解除;分布規(guī)律

GeostressD istribution Rule and Application in Changping Colliery

地應(yīng)力是煤礦井下采場、巷道穩(wěn)定性的主要影響因素,地應(yīng)力的大小、方向直接決定圍巖開挖后的變形和支護(hù)體[1]受力狀態(tài);作用于圍巖的載荷除地應(yīng)力外,還有采掘活動引起的次生應(yīng)力,這是煤礦開采活動區(qū)別于其他巖土工程的最顯著特點。

長平井田地處太行山西緣南段,總的地勢為西高東低,井田處于莊頭正斷層的下降盤一側(cè),晉獲褶斷帶南部、沁水盆地南緣東西 -北東向斷裂帶的北東部。井田中的構(gòu)造形態(tài)與區(qū)域構(gòu)造密切相關(guān),井田地層?xùn)|部受晉獲褶斷帶影響總體走向北北東,傾向北西西,傾角 5～12°,在傾向上發(fā)育次一級的向背斜及斷裂構(gòu)造 (如馮家村背斜、管寨向斜等)。井田西部受沁水盆地南緣東西向構(gòu)造影響,部分地區(qū)受局部構(gòu)造應(yīng)力作用變得彎曲。

主采 3號煤層厚 4.60～6.35m,含泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸 0～2層。頂板巖性一般為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖,具水平紋理;底板巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。

實際開采過程中,一盤區(qū)Ⅲ1309、Ⅲ1308采面巷道開挖后變形量大,支護(hù)體損毀嚴(yán)重,需要多次維修支護(hù),影響回采工作的順利推進(jìn)。為了摸清全礦地應(yīng)力分布規(guī)律,為后期巷道掘進(jìn)支護(hù)和工作面布置提供科學(xué)的依據(jù),進(jìn)行了地應(yīng)力實測。

1 地應(yīng)力現(xiàn)場觀測

地應(yīng)力測量方法有多種,根據(jù)測量原理[2]可分為 3大類:以測定巖體中的應(yīng)變、變形為依據(jù)的力學(xué)法,如應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力解除法及水壓致裂法等;以測量巖體中聲發(fā)射、聲波傳播規(guī)律、電阻率或其他物理量的變化為依據(jù)的地球物理[3]方法;根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和井下巖體破壞狀況提供的信息確定主應(yīng)力方向的方法。本次地應(yīng)力測量采用鉆孔套芯應(yīng)力解除法。

1.1 地應(yīng)力測試方法及設(shè)備

原巖應(yīng)力測量一般在煤礦井下的巷道中進(jìn)行,應(yīng)力鉆孔普遍采用在巷道內(nèi)以一定的仰角向巷道頂板巖體中施工,在完整巖體中安裝應(yīng)力傳感器進(jìn)行應(yīng)力測量;在選定地應(yīng)力測量地點施工導(dǎo)孔及安裝孔,在小巖芯完整位置安裝應(yīng)力計,然后,用金剛石巖芯筒把內(nèi)部粘結(jié)著應(yīng)力計的圓柱狀巖芯取出,取芯過程中,巖體的應(yīng)變則由應(yīng)力計測量出來;把內(nèi)部粘結(jié)著應(yīng)力計的完整巖芯插入彈模率定儀并對其施壓,記錄巖石應(yīng)變隨壓力變化情況,即可計算出巖石的彈性模量和泊松比,之后通過三維應(yīng)力計算公式得出地應(yīng)力測試結(jié)果。

現(xiàn)場測試采用澳大利亞 CSI ROH I型應(yīng)力傳感器,如圖 1所示,CSI ROH I應(yīng)力計是在預(yù)制的空心環(huán)氧樹脂柱面上粘貼 3組應(yīng)變花而制成的。在實際測量過程中,將應(yīng)力計推到安裝應(yīng)力計的預(yù)定位置后,使用推力桿擠出環(huán)氧樹脂液,使之充滿應(yīng)力計與孔壁間的間隙,待完全固化后,應(yīng)力計與巖體結(jié)合為一體,然后實施應(yīng)力解除。

圖1 CSI ROH I型應(yīng)力傳感器

1.2 地應(yīng)力實測地點及其鉆孔參數(shù)

為掌握長平煤礦井田內(nèi)的原巖應(yīng)力分布狀況,本著測點布置覆蓋面廣以及能真實反映實際情況的原則,并結(jié)合長平煤礦井下地質(zhì)條件,分別在4205巷、1102巷和 2204巷布置 9個測點進(jìn)行原巖應(yīng)力實測工作。

根據(jù)地應(yīng)力實測時鉆孔巖心巖性觀察,巷道頂板還有 3.2m煤層,其上為 1.8m泥巖,再向上即為粉砂巖,應(yīng)力傳感器即安裝在粉砂巖內(nèi)。地應(yīng)力鉆孔仰角、方位角、安裝深度見表 1。導(dǎo)孔的直徑為105mm,鉆進(jìn)長度為13.0m,地應(yīng)力傳感器安裝孔直徑 38mm,長度為 0.47m,應(yīng)力傳感器安裝深度13.5m。

表1 鉆孔施工實際參數(shù)

1.3 地應(yīng)力現(xiàn)場測定結(jié)果

表 2為地應(yīng)力實測數(shù)據(jù)[4],結(jié)合長平煤礦地質(zhì)條件,長平煤礦地應(yīng)力分布特征如下:

(1)原巖應(yīng)力場的最大主應(yīng)力為近東西、東南向,傾角近水平,構(gòu)造應(yīng)力占絕對優(yōu)勢,屬于典型的構(gòu)造應(yīng)力場類型;地應(yīng)力水平從東到西由中等應(yīng)力區(qū)向高等應(yīng)力區(qū)發(fā)展,地應(yīng)力大小介于 5～33.5MPa。礦區(qū)東部與西部水平主應(yīng)力方向變化較大,主要原因是受晉獲褶斷帶的影響。四盤區(qū)最大水平主應(yīng)力最大,傾角也較大,方向近東西向;一盤區(qū)最大水平主應(yīng)力最小,方向近東西向;二盤區(qū)最大水平主應(yīng)力方向近南南東向。

(2)實測得到的最小主應(yīng)力為水平應(yīng)力。四盤區(qū)最小水平主應(yīng)力最大,方向近南北向;二盤區(qū)最小水平主應(yīng)力最小,方向近北東 -南西向;一盤區(qū)最小水平主應(yīng)力方向近南北向。

(3)同一測點上的最大水平主應(yīng)力為最小水平主應(yīng)力的 2.58～5.94倍。

(4)最大水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力,最大水平主應(yīng)力為垂直應(yīng)力的 1.80～2.6倍。

(5)長平煤礦開采區(qū)域內(nèi),最大主應(yīng)力方向基本與煤層傾向平行,背斜、向斜除其軸部位置,其余區(qū)域?qū)Φ貞?yīng)力的方向影響可以忽略。最大主應(yīng)力傾角不僅取決于煤層的傾角,上覆巖層厚度是影響最大主應(yīng)力大小、方向的主要因素之一,表土的地形地貌對 3號煤層地應(yīng)力影響較大。

表2 地應(yīng)力測量結(jié)果

2 長平礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律

2.1 最大、最小主應(yīng)力與垂直深度關(guān)系

圖 2是根據(jù)實測結(jié)果,擬合出的最大主應(yīng)力與垂深之間關(guān)系的趨勢線,由圖中可以看出,隨著深度的增加,在 200～450m,最大主應(yīng)力與垂直深度呈線性關(guān)系如下:

圖 2 最大主應(yīng)力與垂直深度趨勢線

圖 3是根據(jù)實測結(jié)果,擬合出的最小主應(yīng)力與垂深之間關(guān)系的趨勢線,由圖中可以看出,隨著深度的增加,在 200～450m,最小主應(yīng)力與垂深之間的關(guān)系如下:

σ3=0.034H-5.946(MPa) (200m≤H≤450m)

圖 3 最小主應(yīng)力與垂直深度趨勢線

根據(jù)擬合曲線,最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和垂深之間的一元線性回歸曲線的相關(guān)系數(shù)值都大于0.8,屬高度相關(guān),垂深是影響應(yīng)力值大小的主要因素。

2.2 最大主應(yīng)力/垂直應(yīng)力比值與垂深關(guān)系

圖 4是根據(jù)長平煤礦地應(yīng)力實測結(jié)果,擬合出的最大主應(yīng)力/垂直應(yīng)力比值與垂深之間的關(guān)系趨勢線,由圖中可以看出,隨著深度的增加,在 200～450m,主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨著垂深增加而增加,其多項式回歸曲線關(guān)系為:≤450m)

圖 4 最大主應(yīng)力/垂直應(yīng)力比值與垂深趨勢線

最大主應(yīng)力/垂直應(yīng)力比值與垂深的一元多項式回歸擬合曲線相關(guān)系數(shù)大于 0.8,屬高度相關(guān)。隨著開采深度的增加,最大主應(yīng)力和垂直應(yīng)力比值趨于穩(wěn)定值,且有下降的趨勢,垂直應(yīng)力向最大主應(yīng)力靠近。

2.3 最大/最小主應(yīng)力比值與垂深關(guān)系

圖 5是根據(jù)長平煤礦地應(yīng)力實測結(jié)果,擬合出的最大/最小主應(yīng)力比值與垂深的關(guān)系趨勢線,由圖中可以看出,隨著垂深的增加,在 200～450m,最大與最小主應(yīng)力比值隨深度增加,先上升,在310m時比值最大,之后比值緩慢下降直至穩(wěn)定到2.5左右,其多項式回歸曲線關(guān)系如下:

圖 5 最大/最小主應(yīng)力比值與垂深趨勢線

根據(jù)圖 5擬合出來的趨勢線,最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的比值隨深度的增加,變化比較復(fù)雜, 310m之前其比值隨垂深的增加而增加,310m之后開始下降,在 400m后比值基本穩(wěn)定,隨著深度的增加,構(gòu)造對主應(yīng)力的影響趨于穩(wěn)定,其他次生應(yīng)力因素對主應(yīng)力的影響逐步減小。

3 地應(yīng)力觀測實際工程應(yīng)用

長平煤礦現(xiàn)有的巷道,主要以煤巷為主,全部沿煤層底板掘進(jìn),開拓大巷采用錨網(wǎng)噴進(jìn)行的永久支護(hù),其他巷道主要采用錨網(wǎng)索支護(hù)。開拓大巷,包括膠輪車大巷、膠帶機大巷、第一回風(fēng)大巷、第二回風(fēng)大巷,沿北偏東 35°方向布置,已經(jīng)完工使用的巷道基本上與最大主應(yīng)力方向平行,除局部地區(qū)受陷落柱的影響必須加強支護(hù)外,4條大巷在開采服務(wù)期間將不會有大的變形,預(yù)計不需要進(jìn)行二次維護(hù)。

對于盤區(qū)回采準(zhǔn)備巷道,不同區(qū)域受到的地應(yīng)力大小、方向不同?，F(xiàn)有的準(zhǔn)備巷道中,四盤區(qū)巷道布置與最大主應(yīng)力方向基本垂直,巷道在掘進(jìn)時頂板容易冒落,掘進(jìn)后頂板控制比較困難,局部地方需要進(jìn)行二次維護(hù)。巷道兩幫錨網(wǎng)支護(hù)后,煤體支撐能力較高,在最大水平主應(yīng)力的影響下,導(dǎo)致頂板破壞深度增加,塑性區(qū)域擴大,頂板抗拉能力降低。底板在水平主應(yīng)力的影響下,中部將最先鼓起,巷道底板變形。在回采期間,采動應(yīng)力將導(dǎo)致巷道進(jìn)一步變形,應(yīng)加強巷道的支護(hù)管理。

一盤區(qū)受到的地應(yīng)力最小,但是受地質(zhì)構(gòu)造的影響,部分區(qū)域地應(yīng)力垂直于現(xiàn)有巷道,特別是III1308、III1309工作面的準(zhǔn)備巷道,不僅受到背斜軸地質(zhì)構(gòu)造[5]的影響,煤體裂隙發(fā)育,整體強度較差,而且其地表為 3座大山交匯的區(qū)域,覆蓋層厚度大,地應(yīng)力較大。在實際回采中,應(yīng)加強地表大山交匯處巷道的支護(hù)與管理,盡量在設(shè)計初期避開向斜、背斜軸部。其余地方地應(yīng)力基本上與巷道平行,且應(yīng)力較小,有利于巷道圍巖的控制,巷道掘進(jìn)后變形較小,且頂?shù)装迦菀卓刂啤?/p>

二盤區(qū)東部采區(qū)準(zhǔn)備巷道多數(shù)橫穿馮家村背斜軸部,局部區(qū)域內(nèi)巷道變形比較嚴(yán)重,應(yīng)加強管理,其他地方除受水文地質(zhì)等其他因素影響外,地應(yīng)力對巷道維護(hù)的影響介于四盤區(qū)到一盤區(qū)之間。二盤區(qū)東部采區(qū) 2306,2307采面位于地表山和谷交匯區(qū)域,煤層底板為向斜褶曲,預(yù)測回采期間巷道變形量較大。

[1]錢鳴高,劉聽成 .礦山壓力及其控制 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1991.

[2]康紅普,林 健 .我國巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試技術(shù)新進(jìn)展[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2001(7).

[3]劉 彤,馬旭青,張曉平,等 .巖石聲譜特征值與強度關(guān)系研究 [J].西部探礦工程,2003(5).

[4]徐光亮,康紅普,顏立新 .煤巷圍巖強度測定及數(shù)據(jù)處理[J].煤礦開采,2004(1):4-6.

[5]康紅普 .煤巷錨桿動態(tài)信息設(shè)計法及其應(yīng)用 [J].煤礦開采, 2002(1):5-8.

[責(zé)任編輯:李宏艷]

TD311

B

1006-6225(2010)03-0096-04

2010-01-25

張文彬 (1976-),男,山西山陰人,工程師,主要從事礦山采掘技術(shù)及管理工作。