梅花井煤礦應力監測可行性方案的研究

胡平

(神華寧夏煤業集團有限責任公司梅花井煤礦,寧夏靈武 751400)

梅花井煤礦應力監測可行性方案的研究

胡平

(神華寧夏煤業集團有限責任公司梅花井煤礦,寧夏靈武 751400)

鑒于梅花井煤礦+850水平主要基建巷道出現了嚴重的礦壓顯現,并且基建巷道網路才初步形成,那么礦壓顯現問題的解決,對整個梅花井煤礦二分區的采煤部署就顯得尤為重要,本文提出了梅花井煤礦應力監測可行性方案,論述了地應力的測量對巷道支護設計方案的影響,也從根本上分析了礦壓顯現的主要原因,并強調了合理的巷道支護設計的重要性。

礦壓顯現 應力監測 支護設計

世界第一次成功的地應力測量是美國人勞倫斯1932年在哈佛水壩進行的。但是此后直到二十世紀五十年代,哈斯特在瑞典的斯堪的納維亞半島礦區和拉伊斯瓦爾鉛礦使用壓磁應力汁和應力解除法進行了大規模的地應力測量,得出了該地區的地應力分布基本規律,從而開辟了現場實測地應力的新紀元[1]。

二十世紀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力測量研究工作。1966年3月在李四光教授的倡導下,在河北哲上堯縣建立了全國第一個地應力觀測站。從六十年代后期開始,中國科學院武漢巖土力學研究所、長沙礦冶研究所、地質研究所,地質礦產部地質力學研究所、地震地質大隊等單位,使用自行研制測量設備進行了一系列的地震礦山應力解除測量研究。

圖1 三組應變花布置圖（A、B、C為三組應變片）

神寧集團梅花井煤礦2006年6月9日正式開始開工建設,其作為神寧集團單井設計能力最大的現代化礦井發展至今,由于頂底板巖性及應力等多因素的影響,導致礦壓顯現嚴重困擾著巷道支護水平,使巷道必須要進行二次維護,所以得出在開始掘進時巷道的支護設計上存在不合理因素,導致增加了不必要的經濟成本,又制約了梅花井煤礦發展的速度,那么想要徹底解決或者減少巷道的礦壓顯現問題,地應力的測量就要求煤礦必須加以重視。本文基于了地應力的測量提出了梅花井煤礦應力監測可行性方案,方案的實施可對梅花井整個礦區地應力分布情況掌握清楚,并能夠準確實施地應力的監測評估工作,找到合理的巷道斷面選擇及支護方式,從根本上解決巷道礦壓顯現問題,從而減少了巷道二次維護成本,可使梅花井煤礦在實現現代化礦井的道路上邁出了堅實的一步。

1 梅花井煤礦巷道礦壓顯現主要原因分析

1.1 梅花井煤礦軟巖性質分析

根據各煤層頂底板巖性和厚度變化較大,井田內各可采煤層頂底板巖性主要為砂巖及粉砂巖,泥巖次之,部分煤層在局部范圍內有泥巖或炭質泥巖的偽頂、偽底,在煤系地層的頂部有一定數量的粗粒砂巖及中粒砂巖構成煤層的直接頂板。縱觀全井田煤層頂底板巖性,其特征顯示軟巖特性。

1.2 煤層中地應力的分析研究

對于地應力成因的研究,由于其復雜性等困難到今天仍不能清楚的對其進行詳盡完整的描述。但是經過數十年來大量的現場實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、地球內應力、地心引力、地球旋轉及地殼非均勻擴容等。其次,溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其它物理化學變化等也可引起相應的應力場[3]。

布朗和胡克收集匯總了世界范圍內120個地區實測地應力資料,統計資料的分析表明垂直應力在深度25—2700m的范圍呈線性增長,垂直應力和深度的關系可表達為:

圖2 空心包體結構示意圖

圖3 現場地應力測量步驟

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

綜上所述,梅花井煤礦的頂底板巖性具有軟巖特性,煤巖層中地應力與深度也有著必然的關系。研究地應力本身就很復雜,不能簡單從垂直應力,水平應力來去分析,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力場,從梅花井煤礦施工情況上分析礦壓顯現的產生主要原因有兩個:(1)梅花井頂底板的軟巖性。(2)煤巖層中存在著復雜的應力關系。本文是基于了煤巖層中復雜的應力場對巷道礦壓顯現的重要影響來對梅花井煤礦應力監測可行性方案進行研究。

2 梅花井煤礦應力監測可行性方案

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

2.1 成立應力監測評估小組

(1)應力監測評估小組主要任務有:①完成對梅花井整個礦區地應力測點的布置。②并對地應力的測量數據進行收集、建立應力監測數據庫。③技術分析出各類掘進巷道地應力的分布情況,并能有效合理的設計出巷道的斷面及其支護方式。④對掘進過程中巷道實時監測的數據進行統計分析,及時歸檔數據庫。

(2)應力監測評估小組組織人員構成:組長:1名(礦總工程師);副組長:1名(掘進副總);應力技術分析人員:1名(掘進技術員);應力數據庫統計員:1名;應力測量工:4名。

(3)應力監測評估小組人員職責:組長:全面負責應力預測評估小組日常工作;副組長:總體規劃礦區掘進巷道地應力測點布置、并指導地應力測量數據的收集、分析及巷道支護設計等工作。應力技術分析人員:熟練掌握數值模擬、材料模擬、支護材料的基本支護強度參數。應力數據庫統計員:對地應力的測量數據、及掘進過程中監測數據進行數據庫管理。應力測量工:熟練掌握空心包體測量地應力的原理及實際操作的能力。

2.2 地應力測量的方法分析

結合實際經驗因素考慮,最易接受的分類方法為依據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測量和記錄巖石中某些與應力有關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算巖石的應力的大小,這些物理量主要有巖石的變形或應變、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力解除法,應力解除法測量地應力的方法有:孔徑變形法、孔底應變法、孔壁應變法、空心體應變法等方法,其中孔壁應變計和空心包體式應變計在一個孔內可以測出三維地應力。

根據實際經驗比較,確定使用空心包體測量地應力的方法。

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

(2)現場地應力測量步驟:①在測點上鉆一直徑為130mm的水平鉆孔,深度應在原巖應力場的范圍內。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然后金剛石錐型轉頭打一個喇機口,以便為打小孔導正。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確距離;調制好粘結劑。⑥用型號為127的礦下巖石取芯鉆頭繼續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力場中解除出來。⑦取芯。此時達到預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)測點布置的原則:①要確定礦井的三維應力狀態,現場測量是最直接的方法。在全礦區各個位置進行測量從造價和工期上是不現實的,因此在由于地應力狀態的復雜性和多變性,應在礦區代表性的位置布置多個測點。②進行地應力測量須在井下巷道內完成,由于巷道周圍的巖體在掘進期間已經受到擾動,在進行空心也體地應力測量時,其安裝包體的小孔必須位于此影響范圍以外,在現場施工條件和勘測設備允許的情況下進行松動圈的測試。根據巖石力學分析,巷道掘進影響范鬧一般為巷道寬度的3-5倍,此范圍以外的區域為原巖應力區。③測點應布置在地質條件較好的位置。④遠離或盡量遠離較大幵挖體。⑤避開巷道或采場的彎、叉、拐頂部等應力集中的部位。⑥由于地應力的分布特點,其大小和方向都隨著深度存在著一定的規律,因此要研究這一規律應盡量在不同層位進行測量。

2.3 地應力測量數據的分析研究

地應力測量出的數據可以分析出應變及位移的關系、鉆孔附近的應力分布、三維應力與孔壁位移的關系、三維應力與孔壁應變的關系。鉆孔坐標系中地應力與固定坐標系三維地應力的關系。并可基于計算機數值模擬、等材料模擬、經驗類比等方法來設計出合理的巷道斷面及支護方式。

2.4 建立掘進巷道的實時監測系統

巷道掘進期間實時監測系統包括: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。

掘進巷道過程中每間距50m設置一個測站,每個測站布置表面變形測面2個、多點位移計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]。并對實時監測的數據進行整理,分析以便及時調整支護方案。

3 結論

(1)提出梅花井煤礦應力監測可行性方案,方案可以對地應力的測量數據進行全面的分析,得出了地應力在巷道斷面選擇及巷道支護設計上的重要影響,說明了合理的巷道支護設計可以大大減小巷道二次支護成本。(2)提出建立梅花井煤礦巷道地應力數據庫,可對以后的相應巷道的掘進工作提出了理論支持。(3)成立煤礦應力預測評估小組,合理分配其成員職責,并可以做到實時掌握梅花井煤礦地應力分布狀況,及時提出合理的支護調整方案。

4 展望

由于時間的限制以及本人水平的局限性,有些問題還有待進一步的研究,在深度和廣度上都需要新的突破:

(1)在地應力測量的數據分析方法上并沒有做詳細的展開說明。(2)由于地應力測量數據及其巷道巖性參數的欠缺,在設計巷道斷面及支護方式上并沒有具體的案例分析。(3)巷道掘進過程中的礦壓顯現監測缺少具體的規劃設計。

[1]張永坤.潘謝礦區開采地應力測量和巷道支護技術研究.安徽理工大學碩士論文,2012.

[2]李學華.梅花井煤礦112201工作面回采巷道圍巖控制技術研究.中國礦業大學,2007.

[3]楊永杰等.地應力測量及綜放沿空掘巷支護技術.煤炭工業出版社,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,大學學歷,自參加工作以來主要從事掘進工程管理工作,現任梅花井煤礦副礦長。