深埋采區(qū)巷道圍巖地應(yīng)力測(cè)試研究

李紅友，姚方興

（1.臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電有限公司 郭屯煤礦，山東 菏澤 274000；2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

煤炭是自然界中一種基礎(chǔ)能源，儲(chǔ)量大、分布廣、可利用率高，同時(shí)又作為國家能源安全和經(jīng)濟(jì)安全的基礎(chǔ)，在中國能源發(fā)展史上有著舉足輕重的位置[1]。隨著煤炭開采的深度加大，對(duì)巷道安全的要求就越來越高。地應(yīng)力作為造成礦山巷道及地下工程變形、破壞的主要因素，其大小、方向等會(huì)對(duì)巷道的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響[2]。作為原巖應(yīng)力的重要組成部分，地應(yīng)力的變化與巷道的穩(wěn)定息息相關(guān)。因此，對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量，分析其特征，對(duì)于巷道的支護(hù)和礦井安全十分必要[3]?？招陌w法因其操作簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高[4-6]等特點(diǎn)，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛歡迎。高峰[7]采用應(yīng)力解除法針對(duì)曹莊煤礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)，針對(duì)高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形提出相應(yīng)解決方法；高會(huì)春[8]將三維套孔應(yīng)力解除地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)和空心包體應(yīng)變計(jì)相結(jié)合，對(duì)東周窯礦東翼采區(qū)進(jìn)行地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及圍壓率定實(shí)驗(yàn)，對(duì)空心包體應(yīng)力解除法測(cè)試地應(yīng)力的原理、儀器構(gòu)造、測(cè)試過程等方面做了詳細(xì)介紹的同時(shí)，對(duì)該礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律做出詳盡介紹；李曉鵬[9]測(cè)定軟巖巷道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，為軟巖巷道控制方案提供數(shù)據(jù)支撐；康紅普[10]對(duì)晉城礦區(qū)進(jìn)行地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試和研究，收集煤礦地應(yīng)力數(shù)據(jù)，在建立“中國煤礦井下地應(yīng)力數(shù)據(jù)庫”的同時(shí)，繪制了中國煤礦礦區(qū)地應(yīng)力分布圖。

本文以郭屯煤礦采區(qū)為研究背景，利用空心包體類三維應(yīng)力測(cè)量法，在測(cè)得郭屯煤礦巷道圍巖地應(yīng)力的同時(shí)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究，為類似礦井的開采和支護(hù)提供一定參考價(jià)值。

1 概 況

郭屯煤礦地層自下而上分為奧陶系、石炭系、二疊系、新近系和第四系，區(qū)域內(nèi)含煤地層主要賦存于二疊系山西組和石炭-二疊系太原組。礦區(qū)東起田橋斷層，西界為煤系地層隱伏露頭，總體為向東傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角約為6°，屬簡(jiǎn)單型構(gòu)造。

2 地應(yīng)力測(cè)量方法

2.1 空心包體法三維地應(yīng)力測(cè)量元件

本研究項(xiàng)目用空心包體類三維應(yīng)力測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)力計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2 所示。

圖1 空心包體應(yīng)力計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hollow inclusion stress meter

圖2 空心包體應(yīng)變分布示意Fig.2 Hollow inclusion strain distribution diagram

該應(yīng)力計(jì)由12 個(gè)電阻應(yīng)變片分別埋入環(huán)氧樹脂筒中制成。制作過程中將3 個(gè)應(yīng)變花沿環(huán)氧樹脂薄壁筒圓周相隔120°粘貼。然后在外層注入環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑，并將其嵌入到環(huán)氧樹脂管內(nèi)[11]。

2.2 空心包體法三維地應(yīng)力測(cè)量原理

本文采用空心包體類環(huán)氧樹脂三軸應(yīng)變法，其應(yīng)力解除過程詳如圖3 所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力解除過程Fig.3 Stress relieving process of measuring point

2.3 測(cè)點(diǎn)布置原則

（1） 應(yīng)在盡量完整、層理不發(fā)育或膠結(jié)較好的巖體中布置測(cè)點(diǎn)。

（2） 側(cè)孔深度應(yīng)大于巷道或已開挖峒室跨度的2.5 倍。

在煤礦副井四叉門處布置地應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，鉆孔數(shù)據(jù)見表1。

表1 地應(yīng)力測(cè)量鉆孔狀況Table 1 In-situ stress measurement drilling

2.4 地應(yīng)力測(cè)試步驟

（1） 用工程地質(zhì)鉆，鉆孔直徑133 mm，并進(jìn)行濕法鉆井，將巖粉水等排出，再用36 mm 鉆頭同心鉆進(jìn)測(cè)量孔，深度約33 cm。

（2） 先將質(zhì)量比為4.2∶1 的粘結(jié)劑填充到空心包體應(yīng)力計(jì)圓筒內(nèi)，柱塞插入內(nèi)腔，用鋁絲將其固定，再用定位器接送棒把空心包體送入鉆孔中預(yù)定位置，繼而推動(dòng)安裝桿，剪斷鋁絲，使粘結(jié)劑流入應(yīng)力計(jì)與測(cè)量孔孔壁之間的間隙。15 h 后，粘結(jié)劑發(fā)生固化，記錄應(yīng)力計(jì)相應(yīng)偏角β。

（3） 在應(yīng)變儀相應(yīng)位置處連接由應(yīng)變片所引出的電纜線，調(diào)節(jié)應(yīng)變儀使其讀數(shù)為零。

（4） 每2 cm 進(jìn)尺測(cè)量一次。當(dāng)采集儀的數(shù)據(jù)不變時(shí)，停止鉆機(jī)。

（5） 應(yīng)力解除完畢后，取芯。應(yīng)力解除曲線如圖4 和圖5 所示。

圖4 1 號(hào)測(cè)試孔應(yīng)力解除曲線Fig.4 Stress relief curve of No.1 test hole

圖5 2 號(hào)測(cè)試孔應(yīng)力解除曲線Fig.5 Stress relief curve of No.2 test hole

由圖4 和圖5 可得，12 個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)力解除曲線規(guī)律性良好，應(yīng)變片工作狀態(tài)正常。解除套孔，套孔到達(dá)應(yīng)變片所在位置之前，12 個(gè)應(yīng)變片所測(cè)得應(yīng)變值趨近于零；當(dāng)套孔深度至測(cè)量斷面時(shí)（即應(yīng)變片所在部位），應(yīng)變片測(cè)得數(shù)值均不斷增加；當(dāng)套孔深度在36~38 cm 時(shí)，應(yīng)變片測(cè)得應(yīng)變值趨于穩(wěn)定，此時(shí)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力完全解除。

根據(jù)巖芯的圍壓率定實(shí)驗(yàn)，其彈性模量E 和泊松比ν 修正后的計(jì)算公式如下：

式中：εθ、εz分別為周向應(yīng)變值和軸向應(yīng)變值；R和r 分別為空心包體的外徑和內(nèi)徑；P0為圍壓試驗(yàn)加載的外壓；R1為空心包體內(nèi)半徑；R2為小孔半徑；G1、v1分別為空心包體材料環(huán)氧樹脂的剪切模量和泊松比；G2、v2分別為芯樣的剪切模量和泊松比；ρ 為應(yīng)變片在空心包體中的徑向距離。

綜上，可得地應(yīng)力大小和方向，數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 兩個(gè)鉆孔的應(yīng)力分量/MPaTable 2 Stress components of two boreholes/MPa

表3 主應(yīng)力的大小及方向Table 3 The size and direction of principal stress

3 結(jié) 論

本文以郭屯煤礦采區(qū)為研究背景，利用空心包體類三維應(yīng)力測(cè)量，對(duì)巷道圍巖地應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，其主要研究結(jié)論如下。

（1） 實(shí)測(cè)結(jié)果表明，第一主應(yīng)力為水平應(yīng)力，其方位角為100.44°～111.030°。

（2） 該礦最大水平主應(yīng)力均值為15.7 MPa，為最小水平主應(yīng)力值的0.60～0.62 倍，二者差值較小，有利于巷道穩(wěn)定。

（3） 根據(jù)常用應(yīng)力量級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)可得，該煤礦井下地應(yīng)力整體上處于低、中地應(yīng)力值區(qū)域，對(duì)巷道支護(hù)有利。