梅花井煤礦應(yīng)力監(jiān)測可行性方案的研究

胡平

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司梅花井煤礦,寧夏靈武 751400)

梅花井煤礦應(yīng)力監(jiān)測可行性方案的研究

胡平

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司梅花井煤礦,寧夏靈武 751400)

鑒于梅花井煤礦+850水平主要基建巷道出現(xiàn)了嚴(yán)重的礦壓顯現(xiàn),并且基建巷道網(wǎng)路才初步形成,那么礦壓顯現(xiàn)問題的解決,對整個梅花井煤礦二分區(qū)的采煤部署就顯得尤為重要,本文提出了梅花井煤礦應(yīng)力監(jiān)測可行性方案,論述了地應(yīng)力的測量對巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案的影響,也從根本上分析了礦壓顯現(xiàn)的主要原因,并強(qiáng)調(diào)了合理的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的重要性。

礦壓顯現(xiàn) 應(yīng)力監(jiān)測 支護(hù)設(shè)計(jì)

世界第一次成功的地應(yīng)力測量是美國人勞倫斯1932年在哈佛水壩進(jìn)行的。但是此后直到二十世紀(jì)五十年代,哈斯特在瑞典的斯堪的納維亞半島礦區(qū)和拉伊斯瓦爾鉛礦使用壓磁應(yīng)力汁和應(yīng)力解除法進(jìn)行了大規(guī)模的地應(yīng)力測量,得出了該地區(qū)的地應(yīng)力分布基本規(guī)律,從而開辟了現(xiàn)場實(shí)測地應(yīng)力的新紀(jì)元[1]。

二十世紀(jì)五十年代末期李四光和陳宗基為代表的一部分人開始了我國的地應(yīng)力測量研究工作。1966年3月在李四光教授的倡導(dǎo)下,在河北哲上堯縣建立了全國第一個地應(yīng)力觀測站。從六十年代后期開始,中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所、長沙礦冶研究所、地質(zhì)研究所,地質(zhì)礦產(chǎn)部地質(zhì)力學(xué)研究所、地震地質(zhì)大隊(duì)等單位,使用自行研制測量設(shè)備進(jìn)行了一系列的地震礦山應(yīng)力解除測量研究。

圖1 三組應(yīng)變花布置圖（A、B、C為三組應(yīng)變片）

神寧集團(tuán)梅花井煤礦2006年6月9日正式開始開工建設(shè),其作為神寧集團(tuán)單井設(shè)計(jì)能力最大的現(xiàn)代化礦井發(fā)展至今,由于頂?shù)装鍘r性及應(yīng)力等多因素的影響,導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)嚴(yán)重困擾著巷道支護(hù)水平,使巷道必須要進(jìn)行二次維護(hù),所以得出在開始掘進(jìn)時巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)上存在不合理因素,導(dǎo)致增加了不必要的經(jīng)濟(jì)成本,又制約了梅花井煤礦發(fā)展的速度,那么想要徹底解決或者減少巷道的礦壓顯現(xiàn)問題,地應(yīng)力的測量就要求煤礦必須加以重視。本文基于了地應(yīng)力的測量提出了梅花井煤礦應(yīng)力監(jiān)測可行性方案,方案的實(shí)施可對梅花井整個礦區(qū)地應(yīng)力分布情況掌握清楚,并能夠準(zhǔn)確實(shí)施地應(yīng)力的監(jiān)測評估工作,找到合理的巷道斷面選擇及支護(hù)方式,從根本上解決巷道礦壓顯現(xiàn)問題,從而減少了巷道二次維護(hù)成本,可使梅花井煤礦在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化礦井的道路上邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

1 梅花井煤礦巷道礦壓顯現(xiàn)主要原因分析

1.1 梅花井煤礦軟巖性質(zhì)分析

根據(jù)各煤層頂?shù)装鍘r性和厚度變化較大,井田內(nèi)各可采煤層頂?shù)装鍘r性主要為砂巖及粉砂巖,泥巖次之,部分煤層在局部范圍內(nèi)有泥巖或炭質(zhì)泥巖的偽頂、偽底,在煤系地層的頂部有一定數(shù)量的粗粒砂巖及中粒砂巖構(gòu)成煤層的直接頂板。縱觀全井田煤層頂?shù)装鍘r性,其特征顯示軟巖特性。

1.2 煤層中地應(yīng)力的分析研究

對于地應(yīng)力成因的研究,由于其復(fù)雜性等困難到今天仍不能清楚的對其進(jìn)行詳盡完整的描述。但是經(jīng)過數(shù)十年來大量的現(xiàn)場實(shí)測和理論分析取得的研究成果顯示其原因主要有:板塊邊界受壓、地幔熱對流、地球內(nèi)應(yīng)力、地心引力、地球旋轉(zhuǎn)及地殼非均勻擴(kuò)容等。其次,溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其它物理化學(xué)變化等也可引起相應(yīng)的應(yīng)力場[3]。

布朗和胡克收集匯總了世界范圍內(nèi)120個地區(qū)實(shí)測地應(yīng)力資料,統(tǒng)計(jì)資料的分析表明垂直應(yīng)力在深度25—2700m的范圍呈線性增長,垂直應(yīng)力和深度的關(guān)系可表達(dá)為:

圖2 空心包體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 現(xiàn)場地應(yīng)力測量步驟

根據(jù)各國研究學(xué)者通過實(shí)測資料表明最大、最小水平主應(yīng)力之值隨深度呈線性增長且一般相差較大。與垂直應(yīng)力相比較,最大水平主應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力,最大、最小水平主應(yīng)力及平均水平主應(yīng)力,其與垂直主應(yīng)力的比值隨深度增大而減小。

綜上所述,梅花井煤礦的頂?shù)装鍘r性具有軟巖特性,煤巖層中地應(yīng)力與深度也有著必然的關(guān)系。研究地應(yīng)力本身就很復(fù)雜,不能簡單從垂直應(yīng)力,水平應(yīng)力來去分析,且隨著煤礦開采水平的不斷加深煤巖層中就會存在著各種應(yīng)力場,從梅花井煤礦施工情況上分析礦壓顯現(xiàn)的產(chǎn)生主要原因有兩個:(1)梅花井頂?shù)装宓能泿r性。(2)煤巖層中存在著復(fù)雜的應(yīng)力關(guān)系。本文是基于了煤巖層中復(fù)雜的應(yīng)力場對巷道礦壓顯現(xiàn)的重要影響來對梅花井煤礦應(yīng)力監(jiān)測可行性方案進(jìn)行研究。

2 梅花井煤礦應(yīng)力監(jiān)測可行性方案

鑒于梅花井煤礦+850水平主要基建巷道出現(xiàn)了礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象,采取的基本手段大部分是利用現(xiàn)象及施工經(jīng)驗(yàn)來制定二次維護(hù)方案、即從維護(hù)效果上仍處于被動。所以本文提出了梅花井煤礦應(yīng)力監(jiān)測可行性方案,目的是想從根本上來解決巷道的礦壓顯現(xiàn)問題。方案包括以下幾個方面:

2.1 成立應(yīng)力監(jiān)測評估小組

(1)應(yīng)力監(jiān)測評估小組主要任務(wù)有:①完成對梅花井整個礦區(qū)地應(yīng)力測點(diǎn)的布置。②并對地應(yīng)力的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、建立應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。③技術(shù)分析出各類掘進(jìn)巷道地應(yīng)力的分布情況,并能有效合理的設(shè)計(jì)出巷道的斷面及其支護(hù)方式。④對掘進(jìn)過程中巷道實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,及時歸檔數(shù)據(jù)庫。

(2)應(yīng)力監(jiān)測評估小組組織人員構(gòu)成:組長:1名(礦總工程師);副組長:1名(掘進(jìn)副總);應(yīng)力技術(shù)分析人員:1名(掘進(jìn)技術(shù)員);應(yīng)力數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)員:1名;應(yīng)力測量工:4名。

(3)應(yīng)力監(jiān)測評估小組人員職責(zé):組長:全面負(fù)責(zé)應(yīng)力預(yù)測評估小組日常工作;副組長:總體規(guī)劃礦區(qū)掘進(jìn)巷道地應(yīng)力測點(diǎn)布置、并指導(dǎo)地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)的收集、分析及巷道支護(hù)設(shè)計(jì)等工作。應(yīng)力技術(shù)分析人員:熟練掌握數(shù)值模擬、材料模擬、支護(hù)材料的基本支護(hù)強(qiáng)度參數(shù)。應(yīng)力數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)員:對地應(yīng)力的測量數(shù)據(jù)、及掘進(jìn)過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理。應(yīng)力測量工:熟練掌握空心包體測量地應(yīng)力的原理及實(shí)際操作的能力。

2.2 地應(yīng)力測量的方法分析

結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)因素考慮,最易接受的分類方法為依據(jù)基本原理劃分即直接測量法和間接測量法。間接測量法是通過某些傳感元件或者某些介質(zhì)測量和記錄巖石中某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量的變化,然后測得這些物理量的變化通過已知的公式計(jì)算巖石的應(yīng)力的大小,這些物理量主要有巖石的變形或應(yīng)變、巖石的密度、滲透性、吸水性、電阻、電容的變化,以及彈性波傳播的速度的變化等。在間接測量法中較為普遍的是套孔應(yīng)力解除法,應(yīng)力解除法測量地應(yīng)力的方法有:孔徑變形法、孔底應(yīng)變法、孔壁應(yīng)變法、空心體應(yīng)變法等方法,其中孔壁應(yīng)變計(jì)和空心包體式應(yīng)變計(jì)在一個孔內(nèi)可以測出三維地應(yīng)力。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)比較,確定使用空心包體測量地應(yīng)力的方法。

(1)空心包體應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu):應(yīng)變計(jì)中最主要的組成部分是測量應(yīng)變的12個電阻應(yīng)變片,被0.5mm厚的環(huán)氧樹脂包裹著。這12個應(yīng)變片平均分成三組相隔120°沿著環(huán)氧樹脂筒圓周粘貼,其結(jié)構(gòu)圖與應(yīng)變花位置分布圖如(圖1)(圖2)所示。應(yīng)變計(jì)的外徑為35.5mm,長度為150mm,可安裝在直徑為36～38mm的小鉆孔中。

(2)現(xiàn)場地應(yīng)力測量步驟:①在測點(diǎn)上鉆一直徑為130mm的水平鉆孔,深度應(yīng)在原巖應(yīng)力場的范圍內(nèi)。鉆孔稍上傾,以便巖粉和水容易排出。通常鉆孔上傾大約為3～5°。②將大孔底磨平。③然后金剛石錐型轉(zhuǎn)頭打一個喇機(jī)口,以便為打小孔導(dǎo)正。④再打直徑36mm的測量小孔,深度300～400mm。⑤在安裝空心包體之前要做好以下幾樣工作:用激光測距儀測量孔口到孔底的準(zhǔn)確距離;調(diào)制好粘結(jié)劑。⑥用型號為127的礦下巖石取芯鉆頭繼續(xù)向前鉆取含有包體的一段巖體,這樣就使這部分巖芯從原巖應(yīng)力場中解除出來。⑦取芯。此時達(dá)到預(yù)定位置的巖芯可能還未與原巖脫離,可用專用的長桿輔助取下。最后從巖芯管中取出含有包體的巖芯。

(3)測點(diǎn)布置的原則:①要確定礦井的三維應(yīng)力狀態(tài),現(xiàn)場測量是最直接的方法。在全礦區(qū)各個位置進(jìn)行測量從造價和工期上是不現(xiàn)實(shí)的,因此在由于地應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性和多變性,應(yīng)在礦區(qū)代表性的位置布置多個測點(diǎn)。②進(jìn)行地應(yīng)力測量須在井下巷道內(nèi)完成,由于巷道周圍的巖體在掘進(jìn)期間已經(jīng)受到擾動,在進(jìn)行空心也體地應(yīng)力測量時,其安裝包體的小孔必須位于此影響范圍以外,在現(xiàn)場施工條件和勘測設(shè)備允許的情況下進(jìn)行松動圈的測試。根據(jù)巖石力學(xué)分析,巷道掘進(jìn)影響范鬧一般為巷道寬度的3-5倍,此范圍以外的區(qū)域?yàn)樵瓗r應(yīng)力區(qū)。③測點(diǎn)應(yīng)布置在地質(zhì)條件較好的位置。④遠(yuǎn)離或盡量遠(yuǎn)離較大幵挖體。⑤避開巷道或采場的彎、叉、拐頂部等應(yīng)力集中的部位。⑥由于地應(yīng)力的分布特點(diǎn),其大小和方向都隨著深度存在著一定的規(guī)律,因此要研究這一規(guī)律應(yīng)盡量在不同層位進(jìn)行測量。

2.3 地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)的分析研究

地應(yīng)力測量出的數(shù)據(jù)可以分析出應(yīng)變及位移的關(guān)系、鉆孔附近的應(yīng)力分布、三維應(yīng)力與孔壁位移的關(guān)系、三維應(yīng)力與孔壁應(yīng)變的關(guān)系。鉆孔坐標(biāo)系中地應(yīng)力與固定坐標(biāo)系三維地應(yīng)力的關(guān)系。并可基于計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、等材料模擬、經(jīng)驗(yàn)類比等方法來設(shè)計(jì)出合理的巷道斷面及支護(hù)方式。

2.4 建立掘進(jìn)巷道的實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)

巷道掘進(jìn)期間實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)包括:巷道圍巖表面變形、錨桿(索)的工作阻力、頂板離層、巷道圍巖深部位移等。

掘進(jìn)巷道過程中每間距50m設(shè)置一個測站,每個測站布置表面變形測面2個、多點(diǎn)位移計(jì)3個、頂板離層儀一臺、液壓枕一排錨桿(15臺)和一排錨索(2臺)[3]。并對實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,分析以便及時調(diào)整支護(hù)方案。

3 結(jié)論

(1)提出梅花井煤礦應(yīng)力監(jiān)測可行性方案,方案可以對地應(yīng)力的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的分析,得出了地應(yīng)力在巷道斷面選擇及巷道支護(hù)設(shè)計(jì)上的重要影響,說明了合理的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)可以大大減小巷道二次支護(hù)成本。(2)提出建立梅花井煤礦巷道地應(yīng)力數(shù)據(jù)庫,可對以后的相應(yīng)巷道的掘進(jìn)工作提出了理論支持。(3)成立煤礦應(yīng)力預(yù)測評估小組,合理分配其成員職責(zé),并可以做到實(shí)時掌握梅花井煤礦地應(yīng)力分布狀況,及時提出合理的支護(hù)調(diào)整方案。

4 展望

由于時間的限制以及本人水平的局限性,有些問題還有待進(jìn)一步的研究,在深度和廣度上都需要新的突破:

(1)在地應(yīng)力測量的數(shù)據(jù)分析方法上并沒有做詳細(xì)的展開說明。(2)由于地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)及其巷道巖性參數(shù)的欠缺,在設(shè)計(jì)巷道斷面及支護(hù)方式上并沒有具體的案例分析。(3)巷道掘進(jìn)過程中的礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測缺少具體的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

[1]張永坤.潘謝礦區(qū)開采地應(yīng)力測量和巷道支護(hù)技術(shù)研究.安徽理工大學(xué)碩士論文,2012.

[2]李學(xué)華.梅花井煤礦112201工作面回采巷道圍巖控制技術(shù)研究.中國礦業(yè)大學(xué),2007.

[3]楊永杰等.地應(yīng)力測量及綜放沿空掘巷支護(hù)技術(shù).煤炭工業(yè)出版社,2010.

Mei Huajing Coal Mine appears serious mine pressure behavior for infrastructure roadway in view of the level of +850,and it was initially formed in the network of infrastructure roadway, then the mine pressure behavior problems, it is very important to the deployment of coal mining two partition of Mei Huajing Coal Mine. This paper presents the Mei Huajing Coal Mine stress monitoring scheme, To discuss the effect of in-situ stress measurement of roadway supporting design scheme, it is also fundamentally analyzed main reasons of mine pressure behavior, and emphasizes the importance of reasonable roadway supporting design.

Mine pressure behavior Stress monitoring Support design

胡平(1976-),男,采礦工程師,大學(xué)學(xué)歷,自參加工作以來主要從事掘進(jìn)工程管理工作,現(xiàn)任梅花井煤礦副礦長。