張集煤礦北區(qū)原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)與分析

王傳兵 丁晨曦 張繼兵

(1. 淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽省淮南市，232001；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；3.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司張集煤礦，安徽省淮南市，232001)

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張集煤礦北區(qū)原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)與分析

王傳兵1丁晨曦2張繼兵3

(1. 淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽省淮南市，232001；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；3.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司張集煤礦，安徽省淮南市，232001)

采用應(yīng)力解除法，對(duì)張集煤礦北區(qū)測(cè)點(diǎn)的原巖應(yīng)力進(jìn)行實(shí)測(cè)和分析，得到了各測(cè)點(diǎn)原巖應(yīng)力的大小和方向。結(jié)果表明，張集煤礦北區(qū)的最大水平主應(yīng)力分別約為最小水平主應(yīng)力的1.65～2.79倍和垂直應(yīng)力的2.58～2.66倍，原巖應(yīng)力的分布對(duì)深部煤礦巖層的變形破壞形式和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律均有較大的影響。根據(jù)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)原巖應(yīng)力的最大水平應(yīng)力方向?yàn)镹WW-SEE方向，為減小原巖應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，巷道走向宜布置為NWW-SEE方向。張集煤礦原巖應(yīng)力的實(shí)測(cè)和分析對(duì)揭示礦壓顯現(xiàn)規(guī)律具有重要意義，對(duì)巷道走向布置具有參考價(jià)值。

應(yīng)力解除法 原巖應(yīng)力 深部開(kāi)采 礦壓顯現(xiàn)

原巖應(yīng)力是存在于地層中的天然應(yīng)力，是導(dǎo)致工程變形破壞和地質(zhì)災(zāi)難的動(dòng)力因素，也是工程穩(wěn)定性分析所必須考慮的要素之一。原巖應(yīng)力的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)各種巖土工程的開(kāi)挖設(shè)計(jì)和地質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究均具有重要意義。原巖應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是獲得原巖應(yīng)力數(shù)據(jù)的重要手段，并在實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，能夠得到所研究的地質(zhì)體的主應(yīng)力大小和方向。原巖應(yīng)力的測(cè)量方法有多種，就應(yīng)用范圍而言，最常用的方法有應(yīng)力解除法和水壓致裂法。本文采用應(yīng)力解除法對(duì)淮南礦業(yè)集團(tuán)張集煤礦北區(qū)原巖應(yīng)力進(jìn)行實(shí)測(cè)和分析，進(jìn)一步揭示原巖應(yīng)力與礦井巷道布置、巷道圍巖穩(wěn)定性之間的關(guān)系，為深部礦井的巖石力學(xué)計(jì)算和巖體力學(xué)模型建立提供可靠的原巖應(yīng)力參數(shù)。

1 張集煤礦地質(zhì)概況

張集煤礦東南部為陳橋背斜構(gòu)造，西部的地層走向?yàn)楸逼骷s75°，北部向正北方向延伸。張集礦A組煤首采區(qū)為西二1#煤層上采區(qū)，采區(qū)范圍為東至北區(qū)1#煤層工業(yè)廣場(chǎng)煤柱線及延長(zhǎng)線；南至西區(qū)1#煤層工業(yè)廣場(chǎng)煤柱線及西翼軌道大巷；西至1#煤層風(fēng)氧化帶底界和F209斷層；北至1#煤層風(fēng)氧化帶底界及Fs866斷層。西二1#煤層上采區(qū)可采儲(chǔ)量1573.67萬(wàn)t；采區(qū)總可采出量1262.07萬(wàn)t。

14131工作面為西二1#煤層采區(qū)設(shè)計(jì)5個(gè)塊段的第三塊段。首采面14131工作面地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，影響該工作面掘進(jìn)和回采地質(zhì)構(gòu)造主要為Fs8014斷層、Fs8015斷層和Fs875斷層。另外，開(kāi)切眼靠近Fs866斷層，受其影響附近可能伴生小構(gòu)造。首采面1#煤層厚度為3.54～8.8 m，平均為7.0 m；煤層傾角在4°～7°之間，平均為5.4°；1#煤層普氏系數(shù)為0.83～1.13，平均為0.95。

2 測(cè)點(diǎn)選取與實(shí)測(cè)方法

2.1 測(cè)點(diǎn)選取

深部礦井原巖應(yīng)力的測(cè)量就是要確定所研究區(qū)域的巖體內(nèi)部未受擾動(dòng)和影響的三維應(yīng)力的大小和方向。一般要在研究區(qū)域內(nèi)選取一定數(shù)量測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)。就深部礦井而言，每個(gè)采區(qū)內(nèi)的原巖應(yīng)力測(cè)點(diǎn)應(yīng)該不少于一個(gè)。

深部礦井在掘進(jìn)施工過(guò)程中，圍巖內(nèi)部的原巖應(yīng)力分布狀態(tài)受到了擾動(dòng)和影響，因此在進(jìn)行實(shí)測(cè)時(shí)，用于安裝應(yīng)變傳感器的鉆孔要避免放置在受影響的區(qū)域范圍內(nèi)。根據(jù)相關(guān)理論分析，巷道掘進(jìn)施工造成的原巖應(yīng)力的擾動(dòng)范圍一般是巷道尺寸的3～5倍。但是，在實(shí)際的原巖應(yīng)力測(cè)量過(guò)程中，由于地質(zhì)條件和巖體強(qiáng)度的不同，往往與理論分析有一定的差異。而要獲得準(zhǔn)確的不受擾動(dòng)的原巖應(yīng)力區(qū)范圍，最好的方法是利用不同深度的鉆孔進(jìn)行測(cè)量和分析，以原巖應(yīng)力測(cè)量值不發(fā)生明顯變化的區(qū)域?yàn)閿_動(dòng)應(yīng)力區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)的分界。

原巖應(yīng)力的測(cè)量需要滿足以下幾個(gè)方面的要求：首先，需要選取靈敏度好、精確度高的應(yīng)變傳感器和配套的采集儀；其次，要結(jié)合具體的地質(zhì)條件和巖層物理力學(xué)性質(zhì)，在合適的區(qū)域打測(cè)量孔；最后，在鉆孔過(guò)程中，要保證鉆孔的平直度和孔的同心度。原巖應(yīng)力的測(cè)量和計(jì)算一般是以線彈性理論為基礎(chǔ)的，所以測(cè)點(diǎn)應(yīng)該盡量布置在較為完整的巖體內(nèi)，避免布置在斷層帶和破碎帶附近，避開(kāi)采場(chǎng)和巷道的應(yīng)力集中區(qū)，遠(yuǎn)離較大的采空區(qū)等。

根據(jù)以上要求，在張集煤礦原巖應(yīng)力測(cè)試中選取了兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于西二1#煤層-536 m疏水巷六號(hào)鉆場(chǎng)和西三1#煤層底板軌道下山。具體位置如圖1所示。

圖1 張集礦北區(qū)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 實(shí)測(cè)方法

采用應(yīng)力解除法，對(duì)張集礦北區(qū)西二1#煤層-536 m疏水巷六號(hào)鉆場(chǎng)和西三1#煤層底板軌道下山的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行原巖應(yīng)力測(cè)量。應(yīng)力解除法的基本原理為：處于原巖應(yīng)力場(chǎng)中的巖石受到周圍巖體的作用處于三維應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)被從原來(lái)的巖體中取出后，彈性能釋放會(huì)發(fā)生膨脹變形，這種變形程度與原來(lái)的受力狀態(tài)有一定的規(guī)律。根據(jù)這樣的變形規(guī)律和測(cè)量得到的巖石彈性模量，通過(guò)換算可以得到該巖石處于原巖應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力值和相應(yīng)的方向。

3 原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

3.1 西二1#煤層-536 m疏水巷測(cè)點(diǎn)

西二1#煤層-536 m疏水巷測(cè)點(diǎn)位于疏水巷六號(hào)鉆場(chǎng)，該巷道兩幫為灰色泥巖，巖性比較完整，有利于導(dǎo)孔成型。測(cè)點(diǎn)埋深為560 m，鉆孔深度為12 m，傾角為4°，方位角為302°。地應(yīng)力導(dǎo)孔以4°仰角垂直于巷幫進(jìn)行施工。當(dāng)鉆孔深度達(dá)到11.5 m時(shí)，更換錐形鉆頭及E型鉆頭施工安裝應(yīng)力計(jì)的E型孔，E型孔的深度為0.45 m，加上長(zhǎng)度為5 cm的錐形孔應(yīng)力計(jì)，總安裝深度為12 m。地應(yīng)力傳感器安裝后經(jīng)過(guò)24 h的固結(jié)作用再進(jìn)行應(yīng)力解除，解除過(guò)程中有部分應(yīng)變片失效。根據(jù)應(yīng)力解除數(shù)據(jù)，作出各個(gè)應(yīng)變片應(yīng)變變化與解除距離曲線如圖2所示。

圖2 西二1#煤層-536 m疏水巷應(yīng)力解除曲線

根據(jù)鉆孔取芯的力學(xué)測(cè)定，得到該測(cè)點(diǎn)處的巖石彈性模量為41.22 GPa，泊松比為0.32。應(yīng)用專用的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)最終處理得到的主應(yīng)力見(jiàn)表1，將主應(yīng)力方向匯總在立體網(wǎng)格上，如圖3所示。

表1 西二1#煤層-536 m疏水巷原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果

圖3 西二1#煤層-536 m疏水巷主應(yīng)力方向立體網(wǎng)格圖

3.2 西三1#煤層底板軌道下山測(cè)點(diǎn)

西三1#煤層底板軌道下山測(cè)點(diǎn)距離巷道施工面60 m左右，測(cè)點(diǎn)埋深為620 m，鉆孔深度為12 m，傾角為4°，方位角為300°。根據(jù)應(yīng)力解除數(shù)據(jù)，做出各個(gè)應(yīng)變片應(yīng)變變化與解除距離曲線如圖4。

圖4 張集礦西三1#煤層底板軌道下山應(yīng)力解除曲線

與西二1#煤層-536 m疏水巷方法類似，得到該測(cè)點(diǎn)處的主應(yīng)力數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，主應(yīng)力方向匯總在立體網(wǎng)格上，如圖5所示。

表2 西三1#煤層底板軌道下山原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果

圖5 西三1#煤層底板軌道下山主應(yīng)力方向立體網(wǎng)格

3.3 原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)分析

原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果表明，最大的主應(yīng)力為水平應(yīng)力，最大水平應(yīng)力的大小為37.4～38.8 MPa。西三1#煤層底板軌道下山測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力方位角為108.3°，仰角為-12.5°，方位角與西三1#煤層最大主應(yīng)力相差無(wú)幾，將仰角換算成12.5°之后，方位角變?yōu)?88.3°，與西三1#煤層最大主應(yīng)力方向一起分布在NWW-SEE方向，如圖6所示。中間主應(yīng)力的大小為13.9～22.6 MPa，方位角為192.3°～207.6°；最小主應(yīng)力為13.4 MPa，方位角為16.2°～42.3°。根據(jù)海姆靜水壓力理論，測(cè)點(diǎn)的埋深為570～620 m，響應(yīng)的垂直應(yīng)力的計(jì)算值為14.25～15.5 MPa，與實(shí)測(cè)值相比，理論計(jì)算值偏大。兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力見(jiàn)表3。

圖6 測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力方向分布立體網(wǎng)格

表3 原巖應(yīng)力測(cè)量部分結(jié)果

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，張集礦北區(qū)的原巖應(yīng)力具有以下特點(diǎn)：

最大水平主應(yīng)力約為垂直應(yīng)力的2.58～2.66倍，原巖應(yīng)力的分布對(duì)煤礦深部巖層的變形破壞形式和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律均有較大的影響；最大水平主應(yīng)力約為最小水平主應(yīng)力的1.65～2.79倍，說(shuō)明水平應(yīng)力的分布對(duì)巷道掘進(jìn)施工的影響具有明顯的方向性。此外，發(fā)現(xiàn)最大水平應(yīng)力的方向?yàn)镹WW-SEE方向，為減小原巖應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，巷道走向布置以NWW-SEE方向?yàn)橐恕?/p>

4 結(jié)論

(1)結(jié)合淮南礦業(yè)集團(tuán)張集煤礦北區(qū)的地質(zhì)特征，在西二1#煤層-536 m疏水巷和西三1#煤層底板軌道下山分別選取測(cè)點(diǎn)。根據(jù)應(yīng)力解除法的實(shí)測(cè)結(jié)果和分析，在所選測(cè)點(diǎn)中，最大水平主應(yīng)力為38 MPa 左右，最小水平主應(yīng)力為13.9 MPa，最大水平主應(yīng)力為最小水平主應(yīng)力的1.65～2.79倍，浮動(dòng)區(qū)間主要受到最小主應(yīng)力變化范圍較大的影響，可見(jiàn)巷道掘進(jìn)施工的方向性很大程度上將受到水平應(yīng)力的影響。

(2)各測(cè)點(diǎn)處的垂直應(yīng)力平均為14.5 MPa，最大水平主應(yīng)力為垂直應(yīng)力的2.58～2.66倍，原巖應(yīng)力的分布對(duì)煤礦深部巖層的變形破壞形式和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律均有較大的影響。

(3)最大水平應(yīng)力的方向?yàn)镹WW-SEE方向，為減小原巖應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，巷道走向布置以NWW-SEE方向?yàn)橐恕?/p>

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(責(zé)任編輯 陶 賽)

Field test and analysis of in-situ stress in the North district of Zhangji Mine

Wang Chuanbing1, Ding Chenxi2, Zhang Jibing3

(1. Huainan Mining Industry (Group) Co., Ltd., Huainan, Anhui 232001, China;2.School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China;3.Zhangji Mine, Huainan Mining Industry (Group) Co., Ltd., Huainan, Anhui 232001, China)

Using stress relief method, in-situ stress of the gauging points in the North district of Zhangji Mine was tested and analyzed, the magnitude and orientation of in-situ stress were obtained. The results showed that the maximum horizontal principal stress was about 1.65～2.79 times of minimum horizontal principal stress and 2.58～2.66 times of vertical stress, the distribution of in-situ stress had great effects on rock deformation and mine pressure behavior in deep coal mine. According to field measurements, the orientation of maximum horizontal principal stress was NWW-SEE. In order to mitigate the impact of in-situ stress on surrounding rock stability, the orientation of roadway should be NWW-SEE as well. The field test and analysis on in-situ stress in Zhangji Mine were important for revealing mine pressure behavior, and it had referential meaning for the planning of roadway layout.

stress relief method, in-situ stress, deep mining, mine pressure behavior

國(guó)家自然科學(xué)基金(512742003，51404273)

王傳兵，丁晨曦，張繼兵 . 張集煤礦北區(qū)原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)與分析 [J] . 中國(guó)煤炭，2017，43(5)：43-46. WangChuanbing, Ding Chenxi, Zhang Jibing . Field test and analysis of in-situ stress in the North district of Zhangji Mine [J] . China Coal，2017,43(5)：43-46.

P554

A

王傳兵(1970-)，男，安徽濉溪人，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)任淮南礦業(yè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院副院長(zhǎng)。