原巖應力測試的實踐與建議

曹 黨

原巖應力測試的實踐與建議

曹 黨

介紹了在大同礦區(qū)忻州窯礦所進行的原巖應力的測試實踐，進一步說明應力解除法技術應用的實際意義。

采礦工程；原巖應力；應力解除方法

0 引言

煤礦井下在生產開拓和開采中會引發(fā)圍巖破壞、支護變形和產生礦井動力現(xiàn)象，引發(fā)這種現(xiàn)象的作用力被稱之為地應力。地應力是影響采礦工程穩(wěn)定性諸多因素中最主要和最根本的因素之一。例如大同煤礦集團有限責任公司忻州窯煤礦，前些年在開拓和開采的設計和施工中沒有充分考慮地應力影響，其所處區(qū)域構造應力作用影響嚴重，多次發(fā)生過較為嚴重的井下巷道和采場的圍巖坍塌破壞、沖擊地壓等礦井動力現(xiàn)象，造成支護破壞、設備被砸、水電風系統(tǒng)癱瘓，甚至阻斷行人通道，對生產和安全構成了極其危險的影響，特別是對其的恢復困難極大。因此，了解本地區(qū)地應力分布的基本特征，分析和研究地應力對采礦的影響，獲得準確的地應力資料，在礦井開拓中合理確定巷道最佳斷面形狀和采場合理位置，以及它們的支護形式、支護結構和支護參數(shù)是非常必要的。更重要的是通過地應力的測試實施能為今后提供科學合理的理論依據(jù)、設計原則和施工方法。

1 原巖應力的有效測量方法

采用何種方法進行原巖應力的有效可靠測量是分析地應力的首要問題。世界許多國家進行了地應力測量方法的研究，發(fā)明了很多方法，但采用比較多的方法主要有應力解除法、水壓致裂法和應力恢復法。筆者認為實用性強、可操作性好，準確率高可靠性又好的方法首選套芯應力解除法。應力解除法的基本原理是，當巖石塊體從受到各個方向作用力或反作用力的巖體中分離出來后，巖石會在自身彈性力的作用下發(fā)生膨脹變形，此刻用應變測量儀測量巖塊在變形過程中的三維膨脹變形，并通過現(xiàn)場彈性模量率確定巖塊彈性模量，則由線性虎克定律即可計算出應力解除前巖體中應力的大小和方向。2011年8月至2011年9月，在忻州窯煤礦西二、東二盤區(qū)共設置了3個測試點。具體方法是，在選定要測量地應力的地點首先施工導孔和安裝孔，在安裝孔粘接應力傳感器，并用導線與應變讀數(shù)儀相連接。隨后，用金剛石硬性材料巖芯套筒將圓柱狀巖芯取出。在實施取出巖芯全程中，巖體所發(fā)生的應力變形量則由應變讀數(shù)儀記錄下來。巖芯與圍巖脫離，巖芯上的應力又因解除而重新恢復到新的平衡應力，根據(jù)解除應力前和解除應力后在應變讀數(shù)儀記錄測得的差值，通過計算及其相關編程軟件計算出應力的大小和方向。

2 應力解除法實測過程

3 個測點位置是，第一個測點（編號為XZY-1）位于西二盤區(qū)車場；第二個測點（XZY-2）位于西二人行斜井下；第三個測點（XZY-3） 位于東二14-3無極車繞道。應力解除法實測的工藝過程如下：

①從巷道表面向巖體內部打直徑130 mm～150 mm大孔，直至需要測量巖體應力的部位。大孔直徑為下一步即將打的用于安裝探頭的小孔直徑的3倍以上。大孔深度為巷道跨度的2.5倍以上，目的是保證測點是未受巖體開挖擾動的原巖應力區(qū)。

②用平鉆頭將鉆孔底打磨平整，再用錐形鉆頭鉆出喇叭口，用于定位。喇叭口不僅保證打小鉆孔時的同心度，又能在接下來實施的空心包體應變傳感器放入工序中能夠使其順利推入小鉆孔中，因此喇叭口的質量是非常重要的。接下來從定位喇叭口孔底打φ36的同心小孔，孔的深度為200 mm～400 mm。打完小直徑孔之后要用清水反復沖洗干凈，還可以用丙酮浸泡過的擦拭頭在小孔中來回擦洗，以清除小孔里的污物。

③將黏結劑注入應變傳感器的空腔內，再用定向安裝桿將應變傳感器送入φ36孔中。用力推安裝桿使環(huán)氧樹脂和固化劑接觸混合，并向傳感器空腔內及其四周流動。當黏結劑化學反應結束形成固化后，小孔內的應變傳感器和孔壁緊密粘結在一起。

④20 h后，先將應變傳感器的導線電纜從巖芯管、鉆桿及其后部的三通管穿出，接入應變讀數(shù)儀中，然后用φ130的薄壁鉆頭繼續(xù)延深大孔，使應變傳感器周圍的巖石逐漸與圍巖脫離。脫離過程中，應變傳感器所測得的應變值由應變讀數(shù)儀自動記錄下來。根據(jù)指令，每進尺20 mm～40 mm記錄一次應變數(shù)據(jù)。

應力解除完成后，將采集器采集和貯存的應變數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上，再通過相關軟件計算和分析繪制出應力解除曲線，即應變值隨應力解除深度變化的曲線。

依據(jù)測得的小孔變形或應變通過有關公式即可求出小孔周圍的原巖應力狀態(tài)，即地應力。

圖1 XZY-1測點應力解除曲線

在XZY-1測點小孔的各個方向共布置了12個應力片，獲得了一束地應力解除曲線，它們在同一區(qū)域應力參數(shù)略有微小變化，整體變化趨勢和特征完全一致。為清晰表示例舉應力片1的繪制曲線（見圖1），解除起點至解除距離到達290 mm區(qū)間，曲線變化平緩帶有逐漸增加趨勢，應變隨解除距離的變化幅度不超過總量的20%，說明巖芯套筒未到達至傳感器位置；當解除距離到達300 mm后，應變量在很短的區(qū)間內突然增加；至隨后解除距離到達330 mm后應變曲線趨于平緩；解除距離到達350 mm后，應變量基本不變解除結束。XZY-1測點的地應力實測值見表1。

表1 XZY-1地應力實測結果

3 地應力實測結果分析

用上述方法分別對3個測點實施地應力解除方法測試，分別獲得了應力解除曲線和地應力實測值表。雖然3個測點位置、參數(shù)和施工參數(shù)不一樣，但獲得的3個應力解除曲線的技術特征卻是一致的，其地應力變化量也是一致的，即水平應力大于垂直應力。最大水平應力、最小水平應力、垂直應力，以及三者之間的關系見表2。

表2 地應力測量部分結果

對忻州窯礦XZY-1、XZY-2和XZY-3測點數(shù)據(jù)進行分析可知，水平最大應力為12.72 MPa，水平最小應力為9.90 MPa，其變化量達到了28%；垂直最大應力為8.65 MPa，垂直最小應力為8.03 MPa，其變化量僅達到了7%。由此表明原巖應力最大主應力為水平應力，最大水平應力的方向為 NE75°～NE83°。

忻州窯煤礦井田總體為一向斜構造形態(tài)，內褶皺、斷層構造復雜，小斷層多集中在向斜軸的兩翼，主斷裂呈右旋雁型排列，其走向錯位處有近平行交錯段，在此段間有很多走向為NE方向的羽狀小斷裂。地層走向總體為北東，向南稍轉北西；地層傾向以向斜軸為中心，東部傾向北西，西部傾向北東。在主向斜軸的西翼，則為一系列NE向小型褶皺區(qū)。向斜軸消失端在雁列主斷裂的最大落差處，背斜消失端在主斷層落差較小處或雁列錯開處，這些構造形跡無疑是受SE-NW主壓應變的結果，表現(xiàn)出該煤田主要地質應力是SE-NW水平擠壓應力，屬燕山構造運動時期。這種結構特征表明，在解除應力后其原巖處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。尤其是堅硬頂板易于積蓄能量，在煤層厚度突然變化，煤層分岔、薄化或尖滅、傾角變化的部位出現(xiàn)支撐壓力增高，同時開采形成高應力區(qū)這幾個因素共同形成了忻州窯礦沖擊地壓發(fā)生的原因。

忻州窯礦西二盤區(qū)車場、西二盤區(qū)人行斜井下、東二14-3無極車繞道附近最大主應力方向分別為330.0°、331.8°和329.6°，且近于水平，傾角分別為-0.9°、-1.9°和0.7°，說明忻州窯礦西二一斜井附近測點最大水平擠壓應力受NE-SW的擠壓應力影響，其方向由SE-NW向SSE-NNW有轉動。因此，該井田是對燕山構造運動時期地質應力SE-NW水平擠壓應力的繼承和發(fā)展，并以發(fā)展為主。在此區(qū)域內開拓巷道和布置工作面易發(fā)生片幫和地鼓。實測的垂直應力大于按照上覆巖層厚度和容重計算的垂直應力，水平應力大于垂直應力，最大水平主應力為垂直應力的1.47～1.51倍，實測的最大水平主應力為最小水平主應力的1.12～1.45倍。水平應力的增加會導致工作面超前支撐壓力的增大，而且超前支撐壓力的影響范圍同時也在擴大，說明工作面前方發(fā)生沖擊破壞的區(qū)域逐漸擴大。水平應力的增加會使此處的應力峰值增大，峰值位置向煤層內部轉移，發(fā)生沖擊破壞的煤體深度逐漸擴大。

4 建議

通過原巖應力測試及其他方法應用的分析，忻州窯礦9號、10號、11號煤層具有中等以上沖擊傾向，有80%的煤巖沖擊動力失穩(wěn)事故受上層煤柱的影響，煤巖沖擊動力失穩(wěn)事故發(fā)生在巷道煤柱，表現(xiàn)為巷道煤幫突然猛烈拋出。再通過計算機模擬，得到的結果是鄰空開采時，在工作面前方7.5 m到10 m的范圍內最容易發(fā)生沖擊失穩(wěn)。同時，在護巷煤柱中，工作面前方14 m～20 m的范圍同樣是發(fā)生沖擊失穩(wěn)的危險區(qū)域，應對此類現(xiàn)象采取相應措施。

Practice and Recommendations of the Original Rock Stress Test

Cao Dang

Introduces the original rock stress test in Xinzhou mine of Datong mining area and further describes the practical significance of the stress relief technology.

mining engineering;situ rock stress;stress relieving methods

TD311

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1000-4866（2012）02-0023-03

曹黨，男，1972年出生，雁北煤炭工業(yè)學校（地下采煤專業(yè)）畢業(yè)，現(xiàn)在大同煤礦集團同生公司安監(jiān)站工作，助理工程師。

2012-01-05

2012-02-23