地應(yīng)力在赤峪煤礦中的測(cè)試及分析

丁其全 ，孫德利 ，張 龍

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，江蘇徐州 221116

2.冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)山西金地煤焦有限公司，山西太原 030006

3.冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)赤峪煤礦，山西文水 032100

地應(yīng)力是引起采礦工程圍巖、支護(hù)變形和破壞，產(chǎn)生地震和礦井動(dòng)力現(xiàn)象的根本作用力[1]。煤礦井下采場(chǎng)、巷道與硐室等地下工程的穩(wěn)定性與煤巖體中的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)[2]。掌握地應(yīng)力分布規(guī)律對(duì)開(kāi)采與支護(hù)工程具有重要意義。地應(yīng)力測(cè)量方法有多種[3]，根據(jù)測(cè)量原理可分為三大類：以測(cè)定巖體中的應(yīng)變、變形為依據(jù)的力學(xué)法，如應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力解除法及水壓致裂法等；以測(cè)量巖體中聲發(fā)射、聲波傳播規(guī)律、電阻率或其他物理量的變化為依據(jù)的地球物理方法；根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和井下巖體破壞狀況提供的信息確定主應(yīng)力方向的方法。本文采用應(yīng)力解除法進(jìn)行赤峪煤礦井底車場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試，分析地應(yīng)力赤峪煤礦地應(yīng)力場(chǎng)特征與規(guī)律，并將測(cè)量結(jié)果應(yīng)用于巷道布置與支護(hù)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)礦井建設(shè)[4-5]。

1 赤峪煤礦概況

赤峪井田位于文水縣縣城西側(cè)約2.0km處。南北長(zhǎng)11.5km，東西寬1.5km～5.1km，面積41.58km2。本井田位于太原西山煤田的西南部，西山礦區(qū)的西南端，煤田西緣斷裂帶與東緣斷裂帶（清交大斷裂帶）的收斂部位。主體構(gòu)造為一寬緩的軸向北東的不對(duì)稱向斜（東社向斜），局部發(fā)育短軸背、向斜并發(fā)育一系列走向北東的斷層，且向南西收斂。地表巖層傾角西部陡，東部緩，中南部陡，北部較緩。井田內(nèi)構(gòu)造方向單一，主要為北東向，僅南部翹起端，發(fā)育一條北西向正斷層。

2 地應(yīng)力測(cè)試及分析

圖1 地應(yīng)力測(cè)試過(guò)程

2.1 地應(yīng)力測(cè)試

2.1.1 測(cè)試過(guò)程

赤峪煤礦原巖應(yīng)力測(cè)量采用在礦井井下巷道中進(jìn)行，地質(zhì)鉆孔布置在巷道內(nèi)垂直于巷幫，以30°仰角向巷道頂板巖體中施工一定深度，將應(yīng)力傳感器安裝在鉆孔底部，24小時(shí)候，打鉆套芯實(shí)施應(yīng)力解除，記錄應(yīng)變。見(jiàn)圖1所示。

2.1.2 測(cè)試儀器設(shè)備

本次采用澳大利亞ES＆S公司生產(chǎn)的CSIRO HI型傳感器，膠體為美國(guó)進(jìn)口專用膠，以及地應(yīng)力采集器。見(jiàn)圖2所示。

2.1.3 測(cè)試地點(diǎn)選擇

根據(jù)山西赤峪煤礦井下巷道開(kāi)拓實(shí)際和地質(zhì)條件，分別在井田副井區(qū)域和風(fēng)井區(qū)域進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量工作。副井原巖應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位于副井底液壓室內(nèi)部，垂直于巷道端部斷面；中央風(fēng)井原巖應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位于中央風(fēng)井車場(chǎng)轉(zhuǎn)彎處末端外側(cè)，垂直于巷道右?guī)汀y(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3所示。

圖2 應(yīng)力傳感器、膠體及采集器

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖

2.1.4 測(cè)試結(jié)果

應(yīng)力測(cè)量在井下巷道中進(jìn)行。鉆孔在巷道兩幫中部斜向上布置，測(cè)量水平面上的最大與最小水平主應(yīng)力，垂直主應(yīng)力由上覆巖層重量計(jì)算得出。鉆孔采用小孔徑，直徑為φ80mm；鉆孔長(zhǎng)度為15m左右，應(yīng)力解除長(zhǎng)度45cm。結(jié)果見(jiàn)表1、表2所示。

表1 原巖應(yīng)力匯總表

2.2 地應(yīng)力分析

1）原巖應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力б1為最大水平主應(yīng)力бhmax，方位為南東方向，略偏東。經(jīng)過(guò)原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)副井測(cè)點(diǎn)和中央風(fēng)井測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力б1傾角均較小，分別為3.6°和3.4°，均接近水平方向，即最大主應(yīng)力б1應(yīng)該為最大水平主應(yīng)力бhmax。副井測(cè)點(diǎn)與中央風(fēng)井測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力б1方位平均為分別為NE126.4°和NE124.5°，方向處于南東偏東向；2）原巖應(yīng)力場(chǎng)的最小主應(yīng)力б3為最小水平主應(yīng)力бhmin，方位為近北東偏北方向。實(shí)測(cè)的副井和中央風(fēng)井最小主應(yīng)力б3傾角均較小，分別18.1°和16.3°，也接近水平方向，即赤峪煤礦最小主應(yīng)力б3為最小水平主應(yīng)力бhmin。最小主應(yīng)力б3的方位角分別為37.8°和33.5°，方向?yàn)楸睎|方向略偏北；3）同一測(cè)點(diǎn)上的最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力在方位上呈正交關(guān)系。從副井原巖應(yīng)力測(cè)量結(jié)果中可以看出，其最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力方位分別為126.4°和37.8°，在方位上大致垂直，同樣的中央風(fēng)井也可以看出最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力大致垂直；4）赤峪煤礦井田原巖應(yīng)力場(chǎng)的中間主應(yīng)力б2傾角較大，分別為74.0°和73.3°，接近垂直方向，且實(shí)測(cè)值與垂直應(yīng)力бv接近；5）垂直應(yīng)力與按上覆巖層容重和埋深計(jì)算的垂直應(yīng)力基本相符。副井測(cè)點(diǎn)與中央風(fēng)井測(cè)點(diǎn)埋深分別為680m和650m，按照上覆巖層容重計(jì)算垂直應(yīng)力分別為17.00MPa和16.25MPa，其值比實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力值17.38MPa和17.83MPa略小；6）影響赤峪煤礦井下巷道穩(wěn)定性的首要因素是水平應(yīng)力。從副井和中央風(fēng)井原巖應(yīng)力測(cè)量結(jié)果看，б1/бv其值分別為1.54和1.48倍，礦井水平應(yīng)力明顯大于垂直應(yīng)力，說(shuō)明水平應(yīng)力比垂直應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響要大，為典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)；7）井田巷道受最大水平應(yīng)力方向性影響非常明顯。根據(jù)副井和中央風(fēng)井原巖應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，б1/б3其值分別為2.50和2.53倍，說(shuō)明井田內(nèi)地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巷道掘進(jìn)影響具有明顯的方向性，在同一水平面的最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力之間差值越大，水平應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響越大；8）副井和中央風(fēng)井原巖應(yīng)力測(cè)點(diǎn)所測(cè)的中間主應(yīng)力б2近似為垂直應(yīng)力，所測(cè)中間主應(yīng)力傾角較大，接近垂直方向，且其值與垂直應(yīng)力也很接近。

3 結(jié)論

1）赤峪礦水平地應(yīng)力大于垂直地應(yīng)力。礦井主要是南北向延展的構(gòu)造，構(gòu)造擠壓作用明顯，生成了近東西向的最大構(gòu)造水平主應(yīng)力；2）目前井底車場(chǎng)巷道、南北大巷大多南北向與最大水平主應(yīng)力接近垂直，所以該類巷道穩(wěn)定是重點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，局部破壞部位應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)；二首采區(qū)準(zhǔn)備巷道一南北向?yàn)橹鳎c最大水平主應(yīng)力近似平行，預(yù)計(jì)地應(yīng)力對(duì)該類巷道影響較小。

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