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    深埋采區(qū)巷道圍巖地應(yīng)力測(cè)試研究

    2023-07-13 12:04:10李紅友姚方興
    煤炭與化工 2023年5期
    關(guān)鍵詞:包體環(huán)氧樹脂空心

    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。

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