淺部煤礦井下地應力分布特征研究及應用

康紅普，司林坡，張　曉

(1．煤炭科學研究總院開采研究分院，北京　100013;2．天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京　100013;3．煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京　100013)

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淺部煤礦井下地應力分布特征研究及應用

康紅普1，2，3，司林坡1，2，3，張曉1，2，3

(1．煤炭科學研究總院開采研究分院，北京100013;2．天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013;3．煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京100013)

摘要:采用煤礦井下小孔徑水壓致裂地應力測量裝置，在山西、陜西、內蒙古、寧夏、新疆等5省(自治區)的10余個淺部煤礦區，進行了88個測點的地應力測量，最淺測點的埋深僅為38 m。根據地應力測量數據，分析了淺部煤礦井下地應力分布特征與變化趨勢，并與深部煤礦進行了比較。通過實例分析，介紹了地應力測量結果在淺部煤礦井下工程中的應用情況。淺部煤礦井下地應力受多種因素影響，測量數據離散性很大，隨測點埋深的變化規律不明顯;地應力場以σH＞σh＞σV型為主，水平應力占絕對優勢。最大水平主應力與垂直主應力的比值主要集中在1～3之間;最小水平主應力與垂直主應力的比值大部分在0．5～2．0;平均水平主應力與垂直主應力的比值大多處于1.0～2.5;最大主應力與最小主應力之差同垂直主應力的比值離散性較大，最大值超過2。將地應力測量數據應用于淺部煤礦煤柱尺寸優化、錨桿支護參數設計，在保證巷道安全與支護效果的前提下，提高了煤炭資源采出率，降低了巷道支護成本。

關鍵詞:煤礦;淺部;地應力測量;水壓致裂;應力分布特征

康紅普，司林坡，張曉．淺部煤礦井下地應力分布特征研究及應用［J］．煤炭學報，2016，41(6):1332－1340．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2016．0541

Kang Hongpu，Si Linpo，Zhang Xiao．Characteristics of underground in-situ stress distribution in shallow coal mines and its applications ［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1332－1340．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2016．0541

煤炭開采中涉及的礦井開拓部署、巷道布置與支護設計，采煤方法與工藝，采場礦壓顯現特征、巖層運動與破壞規律及采場巖層控制，沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災害的機理與防治，均與煤巖層中的地應力有密切關系。弄清煤礦井下地應力分布規律對實現安全、高效開采具有重要意義。

我國西北部地區煤炭資源儲量豐富，其中淺部煤礦分布比較廣泛，有的礦井開采深度僅為幾十米。所謂淺部礦井已經有不同的定義，如有的學者認為埋深不超過150 m，基巖層與載荷層厚度之比小于1，來壓有明顯動載現象的為淺埋煤層［1］。本文將淺部礦井定義為:埋深不超過200 m，采用上覆巖層重量估算的垂直應力不超過5 MPa。

與中、深部煤礦相比，淺部礦井長壁工作面普遍出現臺階下沉，礦壓顯現強烈［1－2］。淺部煤礦開采呈現的獨特礦壓顯現特征與地應力、巖層性質與結構等密切相關，因此，測量與研究淺部煤礦井下地應力大小與分布特征，對優化淺部煤礦巷道布置與支護參數，揭示采場上覆巖層運動與破壞特征、圍巖與支架相互作用關系等具有重要作用。

國內外有多種地應力測量方法［3－5］，但用于煤礦井下的地應力測量方法主要是應力解除法與水壓致裂法［6］。應力解除法主要采用空心包體應變計進行測量，而對于水壓致裂法，煤炭科學研究總院開采研究分院開發研制的小孔徑水壓致裂地應力測量裝置得到廣泛應用，獲得了大量寶貴的煤礦井下地應力實測數據［7－10］。

到目前為止，采用小孔徑水壓致裂地應力測量裝置，共完成淺部煤礦地應力測點88個，分布在潞安、晉城、西山、汾西、平朔、神東、伊泰、寧煤及新疆潞新等礦區，涉及山西、陜西、內蒙古、寧夏、新疆5省(自治區)。地應力測量深度最淺僅為38 m，煤層條件從近水平煤層到傾斜煤層;煤巖體強度從軟弱、中等，到堅硬類型，具有較好的代表性。根據井下地應力測量數據，有些學者對本礦區井下地應力分布特征進行了研究，取得一些初步研究成果［11－13］。

本文基于淺部煤礦井下地應力實測數據，分析淺部煤礦井下地應力場分布特征與規律，地應力主要影響因素，并與深部煤礦井下地應力測量結果進行比較，揭示淺部與深部煤礦井下地應力分布的差別。最后通過實例分析，介紹淺部煤礦井下地應力測量結果在煤柱尺寸優化、巷道錨桿支護設計中的應用。

1　淺部煤礦井下地應力測量

1.1地應力測量方法與儀器

在煤礦井下巷道中采用水壓致裂法進行地應力測量。鉆孔在巷道頂板中部垂直向上布置，測量水平面上的最大與最小水平主應力。垂直應力由上覆巖層自重估算得出。為測得原巖應力，測點位置應避開采煤工作面周圍采動應力影響和掘巷引起的巷道圍巖應力重新分布區域。

地應力測量儀器采用煤炭科學研究總院開采研究分院開發的SYY－56型小孔徑水壓致裂地應力測量裝置，如圖1所示。該測量裝置由小孔徑封隔器、印模器與定向儀、高壓泵、儲能器及數據采集分析裝置等組成。測量鉆孔直徑為56 mm，鉆孔深度根據巷道具體條件確定，一般為20～30 m。

1.2地應力測量結果

淺部煤礦井下地應力測量部分結果見表1，其中H為測點埋深;σV，σH，σh分別為垂直主應力、最大水平主應力與最小水平主應力;Δσ為最大與最小主應力之差;k，k1，k2分別為平均水平主應力(最大水平主應力與最小水平主應力的平均值)、最大水平主應力、最小水平主應力與垂直應力的比值;k3為最大水平主應力與最小水平主應力的比值;k4為最大和最小水平主應力差值與垂直應力的比值;α為最大水平主應力方向。圖2為地應力分布的散點圖。

2　淺部煤礦井下地應力測量結果分析

2.1地應力場類型及大小

88個測點的地應力測量數據顯示，最大水平主應力大于垂直主應力的測點有84個，占總測點的95.5%，水平應力占絕對優勢，屬于典型的構造應力場類型。進一步細分，存在3種應力場:

圖1　小孔徑水壓致裂地應力測試系統Fig.1　Hydraulic fracturing in-situ stress measurement unit with small borehole

表1　淺部煤礦井下地應力測量結果Table 1　In-situ stress measurement results in shallow coal mines

續表

序號　　礦名　　測點位置　H/ m σV/ MPa σH/ MPa σh/ MPa Δσ/ MPa　k　k1　k2　k3　k4　　α 29　　潞安開拓煤業　　西軌道上山　78　1.95　4.93　2.74　2.19　1.97　2.53　1.41　1.80　1.12　N88.8°W 30　　潞安潞寧　　膠帶下山　175　4.38　14.61　7.94　6.67　2.57　3.34　1.81　1.84　1.52　N8.9°W 31　潞安孟家窯煤業　211回風石門　174　4.35　8.60　4.67　3.93　1.53　1.98　1.07　1.84　0.90　N30.1°W 32　　潞安上莊礦　3－1采區軌道巷　193　4.83　8.88　5.04　3.84　1.44　1.84　1.04　1.76　0.80　N51.8°E 33　　潞安潞新二礦　　東擴N4303運輸巷　192　4.80　10.00　5.39　4.61　1.60　2.08　1.12　1.86　0.96　N27.7°E 34　　沁新新超礦　90102回風巷　93　2.33　6.77　3.55　3.22　2.22　2.91　1.53　1.91　1.38　N66.2°W 35　　沁新新達礦　　一采區運輸巷　84　2.10　7.25　3.82　3.43　2.64　3.45　1.82　1.90　1.63　N41.6°E 36　　伊泰大地精礦　1302回風巷　38　0.95　3.60　2.20　1.40　3.05　3.79　2.32　1.64　1.47　N18.9°W 37　　伊泰大地精礦　3301回風巷　59　1.48　4.07　2.58　1.49　2.25　2.75　1.74　1.58　1.01　N52.1°E 38　　伊泰寶山礦　6201回風巷　111　2.78　5.30　2.70　2.60　1.44　1.91　0.97　1.96　0.94　N63.6°W 39　　陜西何家塔礦　　一采區輔助運輸巷　187　4.68　11.50　6.37　5.13　1.91　2.46　1.36　1.81　1.10　N54.6°W 40　　陜西何家塔礦　50104回風巷一聯巷　189　4.73　11.86　6.20　5.66　1.91　2.51　1.31　1.91　1.20　N65.0°W

圖2　淺部煤礦井下地應力散點分布Fig.2　Scatter diagram of in-situ stress distribution in shallow coal mines

(1)σH＞σV＞σh型，共31個測點，占總測點數的35.2%。

(2)σH＞σh＞σV，共 53個測點，占總測點數的60.2%。

(3)σV＞σH＞σh，共4個測點，占總測點數的4.5%。

由此可見，在淺部煤礦井下地應力場中，大部分情況下，最大水平主應力為最大主應力，垂直應力為最小主應力，最小水平主應力為中間主應力。

在全部測點中，最大應力值為14.61 MPa，最小值為0.95 MPa。最大主應力≥10 MPa的有13個測點，5～10 MPa之間有54測點，小于5 MPa的有21個測點。所測淺部煤礦井下地應力最大值85%屬于低地應力值(0～10 MPa)。

由于地應力測點分布在5個省(自治區)的多個礦區，因此，最大水平主應力方向分布呈多變狀態。

2.2地應力值隨埋深的變化規律

從圖2看出，水平應力總體上隨著埋深增加有增大的趨勢，但由于各礦區地質條件、巖石性質差異較大，而且淺部煤礦井下地應力場受地形、地表剝蝕、風化、溫度、地下水等的影響作用更為顯著，導致地應力測量數據離散性很大，特別是最大水平主應力的離散范圍最大。在88個測點中，埋深最淺的為38 m，小于100 m埋深的有15個測點，僅有1個測點為σH＞σV＞σh型，其余14個測點為 σH＞σh＞σV型;100! 150 m有27個測點，有1個測點為σV＞σH＞σh型，8個測點為σH＞σV＞σh型，18個測點為σH＞σh＞σV型; 150～200 m有46個測點，有3個測點為σV＞σH＞σh型，22個測點為σH＞σV＞σh型，21個測點為σH＞σh＞σV型。可見，即使在淺部，隨著埋深增加，地應力場有逐步從σH＞σh＞σV型向 σH＞σV＞σh型轉變的趨勢。

2.3最大水平主應力與垂直主應力的比值隨埋深的

變化規律

最大水平主應力和垂直主應力的比值(側壓比)隨埋深的變化如圖3所示，不同側壓比的分布如圖4所示。

圖3　最大水平主應力與垂直主應力比值隨埋深的變化Fig.3　Ratio of maximum horizontal principal stresses to vertical principal stresses vs depth

圖3表明最大水平主應力和垂直主應力的比值k1的離散性很大，埋深小于100 m時k1的離散范圍最大，隨著埋深增加，k1的離散范圍有逐漸減小的趨勢。

圖4　最大水平主應力與垂直主應力比值的分布Fig.4　Distribution of ratio of maximum horizontal principal stresses to vertical principal stresses

在88個測點中，k1最小值為0.72，最大值為4.66。k1＜1的測點共4個，占4.5%;1＜k1＜2的測點共有43個，占48.9%;2＜k1＜3的測點共有28個，占31.8%;3＜k1＜4的點共有11個，占12.5%;k1＞4的測點共有2個。k1值80%以上集中在1～3。埋深小于100 m的測點 k1普遍大于 2.5;埋深在 100～150 m之間的測點k1多數集中在1.5～3.0;埋深大于150 m的測點k1多數集中在1～2.5。可見，隨著測點埋深的增加，k1的離散性和數值均有減小的趨勢。

2.4最小水平主應力與垂直主應力的比值隨埋深的變化規律

最小水平主應力與垂直主應力的比值k2隨埋深的變化如圖5所示。與k1的分布類似，k2也具有顯著的離散性，但離散范圍小于k1，而且隨著埋深增加，k2的離散范圍逐漸減小。

圖5　最小水平主應力與垂直主應力比值隨埋深的變化Fig.5　Ratio of minimum horizontal principal stresses to vertical principal stresses vs depth

在所有測點中，k2最小值為 0.40，最大值為2.74。k2＜0.5的測點共2個;0.5＜k2＜1.0的測點共有32個，占36.4%;1.0＜k2＜1.5的測點共有35個，占39.8%;1.5＜k2＜2.0的點共有15個，占17.0%;k2＞2的測點共有4個。k2值90%以上集中在0.5～2.0。埋深小于100 m的測點k2普遍大于1.5;埋深在100～150 m的測點k2多數集中在1～2;埋深大于150 m的測點k2多數集中在0.5～1.5。隨埋深增加，k2的離散性和數值均有減小的趨勢。

2.5最大水平主應力與最小水平主應力的比值隨埋深的變化規律

最大水平主應力與最小水平主應力的比值k3隨埋深的變化如圖6所示。與 k1，k2的分布規律不同，k3集中在一個比較狹窄的分布范圍內，而且與埋深的關系不明顯。

圖6　最大與最小水平主應力比值隨埋深的變化Fig.6　Ratio of maximum horizontal principal stresses to minimum horizontal principal stresses vs depth

在88個測點中，k3最小為 1.11，最大為1.98。k3＜1.5的有7個測點，占8%;k3介于1.5! 2.0的共81個測點，占92%。可見，k3絕大部分集中在1.5～2.0。

根據傳統水壓致裂法地應力測量計算公式，可得出計算k3的表達式為(不考慮孔隙壓力)

其中，Pr為破裂重張壓力，MPa。由于Pr大于瞬時關閉壓力Ps，即σh，因此，根據式(1)知k3＜2。

2.6最大主應力與最小主應力之差與垂直主應力的

比值隨埋深的變化規律

最大主應力與最小主應力之差與巖體中的剪應力密切相關，其與垂直主應力的比值k4如圖7所示。

圖7　最大與最小主應力之差與垂直主應力比值隨埋深的變化Fig.7　Ratio of difference between maximum and minimum principal stresses to vertical principal stress vs depth

與k1，k2的分布類似，k4的離散性也很大，但離散范圍明顯小于k1，與k2比較接近。埋深小于100 m的測點k4分布范圍大，離散性大。隨著埋深增加，k4的離散范圍逐漸減小。

在所有測點中，k4最小值為 0.22，最大值為2.07。k4＜0.5的測點共13個，占14.8%;0.5＜k4＜1的測點共有46個，占52.3%;1.0＜k4＜1.5的測點共有21個，占23.9%;1.5＜k4＜2.0的測點共有7個，占8.0%;k4＞2的測點僅有1個。k4值75%以上集中在0.5～1.5。

k4越大，巖體中的剪應力越大，發生剪切破壞的可能性也越大。有利的一面是淺部煤礦井下地應力值本身不大，即使k4較大，但剪應力值不一定很大。

2.7平均水平主應力與垂直主應力的比值隨埋深的

變化規律

平均水平主應力與垂直主應力的比值k隨埋深的變化規律如圖8所示。與k1，k2類似，k的離散性也很大，而且埋深越小，k的分布越離散，其離散范圍介于k1，k2之間。隨著埋深增加，離散范圍逐漸減小。

圖8　平均水平主應力與垂直主應力比值隨埋深的變化Fig.8　Ratio of mean horizontal principal stresses to vertical principal stresses vs depth

88個測點中，k最小值為 0.57，最大值為3.70。k＜1的測點共14個，占15.9%;1＜k＜2的測點共52個，占 59.1%;2＜k＜3的測點共 20個，占22.7%;k＞3的測點共2個。k值大部分集中在1.0～2.5。

參考回歸分析平均水平主應力與垂直主應力比值隨埋深變化規律的常用方法［14］，得到所測淺部煤礦k值表達式為

由于地應力實測數據的離散性很大，因此，圖8中回歸曲線的相關性比較低，這也是淺部煤礦井下地應力場分布的顯著特點。

2.8淺部與深部煤礦井下地應力分布特征比較

與深部煤礦井下地應力測量結果相比［7，15－16］，淺部煤礦井下地應力分布有以下特征:

(1)淺部煤礦地應力場以σH＞σh＞σV型為主，水平應力占絕對優勢。深部煤礦地應力場以σV＞σH＞σh，σH＞σV＞σh型為主，一些深部煤礦以垂直應力為主。

(2)與深部煤礦相比，淺部煤礦地應力分布受地形、地表剝蝕及溫度等多種因素的影響比較明顯，導致地應力值的離散性大，隨埋深變化的規律性不明顯。

(3)淺部煤礦最大水平主應力與垂直主應力的比值分布范圍廣，數值大，大部分集中在1～3之間。深部煤礦該比值分布范圍窄，數值相對較小，大部分在0.6～1.5。

(4)淺部煤礦平均水平主應力與垂直主應力的比值離散范圍大，數值高，大部分在1.0～2.5。深部煤礦該比值變化范圍小，數值相對較低，大部分在0.5～1.2，而且隨著埋深增加，比值有趨向一定值的趨勢。

3　單孔應力測量結果及分析

為了解距巷道頂板不同深度的圍巖應力分布規律，在陜西何家塔煤礦一采區輔助運輸巷、50104回風巷一聯巷頂板進行了單孔、鉆孔不同深度的多次水壓致裂應力測量。兩條巷道均沿煤層頂底板掘進，煤層厚度約為3 m。測量結果見表2。由于鉆孔垂直巷道頂板向上布置，表中巷道埋深為頂板表面的深度，因此，測點埋深為巷道埋深與測量深度的差值。兩個鉆孔頂板巖層應力分布如圖9所示。應力測量結果表明:

(1)巷道頂板巖層水平應力總體上隨著鉆孔深度增加不斷增大，當鉆孔深度達到一定值時，最大、最小水平主應力趨于穩定。對于一采區輔助運輸巷鉆孔該值為12 m左右，而50104回風巷一聯巷為13 m左右。巷道寬度為5 m，高度為3.2 m，外接圓半徑為3 m。可見，兩個鉆孔應力趨于穩定的深度均超過巷道外接圓半徑的4倍，可以認為該處受巷道開挖的影響已經不明顯，測量值可作為原巖應力值。在離巷道頂板表面較近的位置，受巷道開挖影響明顯，水平應力顯著降低，而且最大水平主應力的降低幅度大于最小水平主應力。

(2)巖性和巖層強度對水平應力有明顯影響。一般情況下，巖層強度與剛度越高，水平應力越大。如一采區輔助運輸巷鉆孔中，處于7.5 m深度的中砂巖，比其上下附近的中砂巖強度高，該處的水平應力也明顯較大，甚至高于10 m處粉砂巖中的水平應力。在50104回風巷一聯巷鉆孔中，位于4.3 m處的中砂巖，抗壓強度比位于其上的粉砂巖高1/3左右，其水平應力高于10.1 m處的粉砂巖。

(3)最大水平主應力方向分布。同一鉆孔中，最大水平主應力方向測量結果比較一致。一采區輔助運輸巷鉆孔最大水平主應力方向的平均值為N42.7°W，與該值的最大偏差為11.9°;50104回風巷一聯巷鉆孔最大水平主應力方向的平均值為N60.5°W，與該值的最大偏差為10.6°。2個鉆孔的最大偏差均在15°范圍內。

圖9　巷道圍巖應力隨鉆孔深度的變化Fig.9　Stress in rocks surrounding an entry vs borehole depth

表2　何家塔煤礦單孔應力測量結果Table 2　Stress measurement results in a single borehole in the Hejiata Coal Mine

4　應用實例

4.1試驗點地質條件與巷道變形狀況

試驗點位內蒙古伊泰寶山煤礦6302工作面回風巷，埋深約為100 m。工作面開采6號煤層，平均厚度為2.3 m。煤層直接頂為砂質泥巖，厚度3.0 m左右，基本頂為細砂巖，厚度5 m左右。巷道斷面為矩形，寬度5 m，高度2.7 m。煤柱寬度為20 m。

在寶山煤礦井下進行了地應力測量，測量結果為(表1):最大水平主應力5.30 MPa，最小水平主應力為2.70 MPa，垂直應力為2.78 MPa。礦區總體以水平應力為主，最大水平主應力方向為N°63.6W。直接頂砂質泥巖平均單軸抗壓強度為31.6 MPa，煤層平均單軸抗壓強度為19.8 MPa。

回風巷原支護采用樹脂錨桿、錨索支護。錨桿桿體為直徑18 mm的左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.0 m，拉斷力105 kN，樹脂加長錨固。采用鋼筋托梁與金屬網護頂。錨桿排距1 m，每排5根錨桿，間距1.1 m。錨索索體為直徑15.24 mm的鋼絞線，長度5.3 m。每排 1根，布置在巷道中部，排距為2.0 m。兩幫不支護。

回風巷采用上述支護方案后，掘進期間巷道頂底板最大位移量為43 mm，煤柱幫最大位移量為12 mm。錨桿、錨索受力普遍很低，巷道圍巖完整、穩定。經歷鄰近工作面回采動壓影響后，回風巷頂底板移近量增加了14 mm，達到57 mm;煤柱幫位移量增加了12 mm，達到24 mm。錨桿、錨索受力雖然有所增加，但仍遠沒有達到桿體的屈服載荷。整體來看，巷道頂板與煤柱在受到鄰近工作面動壓影響后，沒有出現明顯變形與破壞，巷道穩定性好［17］。因此，無論是煤柱寬度還是錨桿支護參數均應進行優化。

4.2煤柱寬度優化

地應力與圍巖強度測量結果表明，試驗點地應力比較小，而煤層、巖層雖然強度不高，但比較完整，且泥巖、煤層抗壓強度與最大水平主應力的比值達6.0，3.7。為了進一步研究煤柱寬度對回風巷圍巖變形的影響，優化煤柱寬度，采用FLAC3D軟件進行了數值模擬［18］。根據地應力實測數據、巷道周圍巖層分布與物理力學性質、巷道與工作面幾何參數等建立數值模型，模擬煤柱寬度8，12，15及18 m，受鄰近工作面和本工作面采動作用下回風巷圍巖及煤柱位移及塑性破壞區分布。

巷道掘進期間變形很小。受到鄰近工作面采動作用后，寬度8 m煤柱巷道頂板下沉達285 mm，煤柱側幫位移達317 mm，圍巖變形破壞比較嚴重。隨著煤柱寬度增加，圍巖位移及破壞范圍不斷減小。煤柱寬度12 m時，頂板下沉、煤柱側幫位移分別為150，133 mm，分別降低47%，58%。之后，再增加煤柱寬度，圍巖位移降低幅度變得不明顯。

當受到本工作面采動作用后，8 m煤柱巷道頂板下沉、煤柱側幫位移分別增加325，357 mm;12 m煤柱巷道頂板下沉、煤柱側幫位移分別增加158，195 mm，后者比前者分別降低51%，45%。當煤柱寬度為15 m時，頂板下沉、煤柱側幫位移分別增加148，184 mm。與12 m寬度煤柱相比，雖然15 m寬度煤柱巷道圍巖位移有所降低，但降低幅度不大。根據數值模擬結果，結合井下實際情況，確定6203工作面煤柱寬度從原來的20 m減小到12 m。

井下監測數據表明，經歷6203鄰近工作面及本工作面回采動壓影響后，絕大部分地段12 m煤柱穩定性良好，煤柱無支護，表面平整，基本沒有出現片幫。僅有局部地段受硐室的影響，煤柱表面出現片幫，只需補打錨桿即可保持煤柱穩定。可見，將煤柱寬度減小到12 m是合理的，完全可以保證回風巷安全使用。同時，推進長度2 000 m的工作面可減少煤炭資源損失超過5萬t。

4.3錨桿與錨索支護參數優化

基于地應力與圍巖強度測量結果，采用數值模擬并結合井下實測數據對回風巷支護效果及主要影響因素進行了分析，建議對回風巷錨桿、錨索支護參數進行優化，巷道支護布置如圖10所示。

圖10　寶山煤礦回風巷錨桿支護布置Fig.10　Rock bolting layout for a tailgate in Baoshan Coal Mine

①錨桿長度從2 m減小至1.8 m，錨固長度也相應減小。②錨索長度從5.3 m減小至4.3 m。③錨桿排距從1 m增加到1.2 m。④錨索排距從2 m增加到4 m。⑤煤柱一般情況下不支護。在局部破碎地段，采用錨桿、鋼筋托梁與金屬網支護。

5　結　　論

(1)淺部煤礦井下地應力由于受地質條件、巖石性質及地形、地表剝蝕、風化、溫度等多種因素的影響，導致地應力測量數據離散性很大，地應力值隨測點埋深的變化規律不明顯。

(2)淺部煤礦井下地應力場以σH＞σh＞σV型為主，水平應力占絕對優勢。最大、最小水平主應力可分別達到垂直主應力的4和2倍以上。

(3)淺部煤礦井下最大水平主應力與垂直主應力的比值主要集中在1～3;最小水平主應力與垂直主應力的比值大部分在0.5～2.0;平均水平主應力與垂直主應力的比值大多處于1.0～2.5。

(4)淺部煤礦井下最大主應力與最小主應力之差同垂直主應力的比值離散性很大，最大值超過2。該比值越大，巖體中的剪應力越大，越容易發生剪切破壞。但淺部煤礦井下地應力值本身不大，即使該比值較大，但剪應力值不一定很大。

(5)基于淺部煤礦井下地應力測量數據進行煤柱尺寸優化，巷道支護參數優選，可在保證巷道安全與支護效果的前提下，提高煤炭資源采出率，降低巷道支護成本。

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中圖分類號:TD322

文獻標志碼:A

文章編號:0253－9993(2016)06－1332－09

收稿日期:2016－04－25修回日期:2016－05－08責任編輯:常琛

基金項目:國家自然科學基金煤炭聯合基金資助項目(U1261211)

作者簡介:康紅普(1965—)，男，山西五臺人，中國工程院院士。E－mail:kanghp@163．com

Characteristics of underground in-situ stress distribution in shallow coal mines and its applications

KANG Hong-pu1，2，3，SI Lin-po1，2，3，ZHANG Xiao1，2，3
(1．Coal Mining Branch，China Coal Research Institute，Beijing100013，China;2．Coal Mining and Designing Department，Tiandi Science and Technology Co．，Ltd．，Beijing100013，China;3．State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization，Beijing100013，China)

Abstract:By means of the small borehole hydraulic fracturing measurement unit designed for underground coal mines，the 88 in-situ stress measurement sites were conducted in more than 10 coal mining fields located in the Shanxi，Shaanxi，Inner Mongolia，Ningxia and Xinjiang province or autonomous region．The shallowest site was only 38 m below the surface．The distribution features and variation trend of the in-situ stresses in shallow underground coal mines were analyzed based on the measurement data，and the comparison with those obtained in deep underground coal mines was made．The applications of the in-situ stress measurement results in a shallow coal mine were introduced through a case study．It is shown that the in-situ stress measurement results present large discreteness，and there is no obvious variation discipline with buried depth，as the in-situ stresses in shallow coal mines are affected by a lot of factors．The in-situ stress pattern is mainly the type of σH＞σh＞σVwith the dominant horizontal stresses．The ratio between the maximum horizontal principal stresses and vertical principal stresses mostly focuses on the interval of 1 to 3;The ratio be-tween the minimum horizontal principal stresses and vertical principal stresses is mainly on the interval of 0．5 to 2．0; The ratio between the mean horizontal principal stresses and vertical principal stresses mainly locates on the interval of 1．0 to 2．5．The ratio between the difference of the maximum and minimum principal stresses and vertical principal stresses presents large discreteness with the maximum value more than 2．The in-situ stress measurement results were applied to optimize coal pillar sizes and rock bolting design，the coal recovery rate was enhanced，and the rock bolting costs were decreased in the premise of entry safety and reinforcement effectiveness．

Key words:coal mine;shallow;in-situ stress measurement;hydraulic fracturing;stress distribution feature