地應(yīng)力測量在羊場灣礦中的應(yīng)用

趙顯文，張曉宇，王升宇

（1通化礦業(yè)集團，吉林白山 134300;2黑龍江科技學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150027）

地應(yīng)力測量在羊場灣礦中的應(yīng)用

趙顯文1，張曉宇2，王升宇1

（1通化礦業(yè)集團，吉林白山 134300;2黑龍江科技學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150027）

針對羊場灣煤礦巷道支護困難的問題，采用了空心包體應(yīng)力解除法對羊場灣煤礦進行了三維地應(yīng)力測量，初步掌握了羊場灣煤礦地應(yīng)力分布的基本特征，指出羊場灣煤礦地應(yīng)力類型屬于水平構(gòu)造應(yīng)力場，以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，從而為巷道布置及支護設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

地應(yīng)力;空心包體;應(yīng)力分布

App lication of Geo-stress Detection in Yangc hangwan Colliery

地應(yīng)力是存在于地層中未受工程擾動的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力或原巖應(yīng)力。地應(yīng)力是巖體在漫長的地質(zhì)演變時期形成的巖體內(nèi)生應(yīng)力，是地殼巖體在歷史上各種構(gòu)造運動形成的應(yīng)力場與重力應(yīng)力場多次疊加的結(jié)果，具有一定的時間和空間效應(yīng)，導(dǎo)致巖體地應(yīng)力狀態(tài)相對比較復(fù)雜和多變。因此，進行地應(yīng)力的測量是了解一個區(qū)域地應(yīng)力狀態(tài)的惟一途徑。

地應(yīng)力是引起煤礦開采等地下工程圍巖變形和破壞的根本驅(qū)動力，是礦井設(shè)計重要基礎(chǔ)參數(shù)，是煤礦巷道支護動態(tài)信息設(shè)計法重要的基礎(chǔ)參數(shù)，對煤礦開采過程中圍巖穩(wěn)定性分析及合理的巷道設(shè)計意義十分重大。

羊場灣煤礦是隸屬于神華寧夏煤業(yè)集團公司的主力礦井，煤炭資源儲量豐富，年產(chǎn)原煤超過16Mt，隨著開采強度的不斷增大，巷道支護難度加大，礦壓顯現(xiàn)比較明顯。因此，開展羊場灣礦井下的地應(yīng)力的實測研究，對羊場灣礦井的總體布置，巷道和采場優(yōu)化設(shè)計，保證礦井安全、高效生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 地應(yīng)力實測

1.1 地質(zhì)概況

羊場灣煤礦位于寧夏靈武礦區(qū)中部，井田內(nèi)地形為緩坡丘陵，基巖大部分被沙漠或第四系黃土覆蓋。井田地處華北地帶鄂爾多斯盆地西緣褶皺沖斷帶的南北向逆沖構(gòu)造帶，是煙墩山逆沖席的前緣帶，井田內(nèi)斷裂、褶曲構(gòu)造較發(fā)育，規(guī)模較大。受燕山運動的影響，中生界產(chǎn)生了大量的褶曲和斷裂構(gòu)造，導(dǎo)致礦井工程地質(zhì)條件比較復(fù)雜，巷道支護難度較大，支護參數(shù)的選取也存在較大隨意性。

1.2 測試方法

現(xiàn)有的地應(yīng)力測量方法很多，有應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力解除法、水壓致裂法、地球物法和地質(zhì)測繪法等，其原理各有不同。但目前只有應(yīng)力解除法和水壓致裂法是井下地應(yīng)力實測的可行方法，其中應(yīng)力解除法 （也稱套芯法）是目前應(yīng)用最廣的地應(yīng)力測試方法。具體方法是在巖石中先鉆一測量孔，將傳感器安裝在測孔中并觀測讀數(shù)，然后再測量孔外同心套鉆鉆取巖芯，使巖芯與圍巖分離。巖芯上的應(yīng)力因被解除而產(chǎn)生彈性恢復(fù)。根據(jù)應(yīng)力解除前后所測得差值，可以得出地應(yīng)力的大小和方向。

1.3 測試儀器

本次測量采用的儀器是KX－81型三軸地應(yīng)力空心包體應(yīng)力計，能在單孔中通過一次套芯解除應(yīng)變獲得三維應(yīng)力狀態(tài)，并且該裝置安裝簡便迅速，成功率和可靠性高，廣泛地應(yīng)用于地應(yīng)力的測量中。其主體是一個用環(huán)氧樹脂制成的空心圓筒，在中間部分，沿同一圓周等距離嵌埋了3組電阻應(yīng)變花，用于測量巖芯上各點在解除前后的應(yīng)變值。

1.4 測量流程

井下測量工作過程為:打測量孔;應(yīng)力計定向;應(yīng)力計安裝;應(yīng)力計固化;應(yīng)力解除。

室內(nèi)工作包括:傳感器圍壓率定;巖芯力學(xué)性質(zhì)測定;應(yīng)力計算。

具體步驟如下:

（1）打大孔:從巖體表面打大孔至測量部位，磨平孔底，清洗鉆孔;深度為巷道跨度的2.5倍以上 （D=3～5d），直徑一般為130～150mm。

（2）打小孔并放水沖洗鉆孔:小孔直徑由選用探頭直徑?jīng)Q定，一般為36～38mm，小孔深度一般為孔徑10倍左右。

（3）安裝測量探頭至小孔中央部位。

（4）巖石打孔，實現(xiàn)應(yīng)力解除:通過量測系統(tǒng) （測量探頭等）測得的小孔變形或應(yīng)變，根據(jù)有關(guān)計算公式求出小孔周圍原巖應(yīng)力。

1.5 測試地點及方案

由于地應(yīng)力場的復(fù)雜多變性，對地應(yīng)力測試區(qū)域需要布置多組測點，進行三維的地應(yīng)力測試，以便全面地掌握地應(yīng)力的分布規(guī)律和特征。根據(jù)羊場灣煤礦的實際生產(chǎn)情況，并充分考慮測試點所要求的測量環(huán)境，需要避開已采掘的采場、巷道、硐室及地質(zhì)影響區(qū)，最終將本次試驗測試觀測地點選擇在－850m北翼大巷和710開切眼處的均質(zhì)、穩(wěn)定、完整的巖層中。具體的測站布置及鉆孔測試參數(shù)如表1所示。

表1 測站布置及鉆孔測試參數(shù)

1.6 測試結(jié)果

通過實驗室試驗得出測量地點巖芯的彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)后，并將測點應(yīng)變片的前后應(yīng)變值導(dǎo)入專門后處理軟件后，可以計算出測點地應(yīng)力的大小和方向。詳細測試結(jié)果如表2所示。

表2 羊場灣礦地應(yīng)力測試結(jié)果

2 地應(yīng)力測試結(jié)果分析

通過對2個測點的地應(yīng)力實測結(jié)果進行系統(tǒng)分析，初步得出羊場灣煤礦地應(yīng)力分布特點為:

（1）從數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，羊場灣煤礦的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力與水平面的夾角非常小，傾角在0.4～8.9°之間，可近似看作為水平應(yīng)力。最大水平應(yīng)力值在32.18～36.02MPa之間，要明顯大于垂直應(yīng)力，這說明雖然羊場灣煤礦礦井測點埋深較大，但是地應(yīng)力場還是以水平構(gòu)造應(yīng)力場為主導(dǎo)，應(yīng)力場類型以σH＞σV＞σh為主。

（2）羊場灣煤礦的最大水平應(yīng)力和最小水平應(yīng)力差值較大，比值在1.94～2.31之間，且顯示出很明顯的方向性，集中在N7°E～N25°E方向上。因此，礦井在生產(chǎn)布置時巷道的軸線方向要避免與最大水平應(yīng)力的方向呈現(xiàn)過大的夾角，否則巷道的維護比較困難。這也說明了為什么在－1000m水平工作面開切眼頂板不穩(wěn)定，兩幫變形較大，而兩巷支護比較容易的問題。

（3）隨著深度的增大，羊場灣煤礦的地應(yīng)力在數(shù)值上有一定的增加，說明隨著埋深的加大，地應(yīng)力值將呈現(xiàn)線性增加的趨勢。另外，由于中間主應(yīng)力σ2傾角較大，在72.1～81.1°之間，與垂直主應(yīng)力值相差不大，在數(shù)值上要略小于單位面積上的覆巖層重量，這可能是由于巖層具有一定的傾角，導(dǎo)致重力沒有完全轉(zhuǎn)化為垂直應(yīng)力。

3 結(jié)論

（1）研究表明羊場灣煤礦地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力場為主導(dǎo)，其應(yīng)力場類型為σH＞σV＞σh。

（2）羊場灣煤礦的最大水平應(yīng)力和最小水平應(yīng)力差值較大，比值在1.94～2.31之間，最大水平應(yīng)力顯示出很明顯的方向性，集中在N7°E～N25°E方向上。

（3）通過對羊場灣煤礦地應(yīng)力的實測研究，對礦井的巷道布置和支護設(shè)計提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對礦井的生產(chǎn)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用。但是由于此次實測測點較少，在以后的工作中還要加大對地應(yīng)力實測工作的力度，以便更好地反映出整個礦井的地應(yīng)力分布特征。

［1］鞠文君.煤礦巷道支護動態(tài)信息設(shè)計法［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2006，16（2）:99－102.

［2］司林坡.全景鉆孔窺視儀在水壓致裂法地應(yīng)力測試中的應(yīng)用［J］.煤礦開采，2011，16（2）:97－101.

［3］蔡美峰.地應(yīng)力測量原理和技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2000.

［4］康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

［5］康紅普，林 健，張 曉.深部礦井地應(yīng)力測量方法研究與應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（5）:929－933.

TD326

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1006-6225（2011）04-0102-02

2011－06－14

趙顯文 （1954－），男，內(nèi)蒙古突泉人，碩士，高級經(jīng)濟師，集團公司董事長，主要從事礦業(yè)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究。

［責(zé)任編輯:鄒正立］