山西某礦巷道圍巖地應力測試研究

2019-04-13 08:09:48馬雪鵬

鑿巖機械氣動工具 2019年4期

馬雪鵬

（晉城集團寺河煤礦生產技術管理部，山西晉城048204）

1 前言

某礦井田面積約230 km2，南北走向約12 km，東西傾斜約23 km，全井田可采煤層分為3#、9#、15#三層煤層，總厚度10.32 m。伴隨煤礦開采的深度、廣度向更大范圍發展，礦山巖體的應力環和破壞特性都有了較大變化，因此，對圍巖體進行地應力測試研究，意義重大。

為給煤礦生產提供力學保障，并為即將開拓的15#煤巷道錨桿支護設計提供科學可靠的地質力學基礎數據，有必要對礦區15#煤進行系統的地應力測試實驗，以便補充礦井地質力學數據資料，同時為盤區工作面的支護設計、巷道維護等提供基礎技術參數，進而使礦井生產、建設更加合理和安全。

2 地應力測量研究

2.1 地應力測試原理

對于平面應力測量，水壓致裂法有三個基本假設條件：(1) 巖石呈線彈性，同時各個方向同性；(2) 巖石的主應力中，有一個主方向和鉆孔軸平行；(3) 巖體是完整的，具有非滲透性。所以，水壓致裂法的力學模型，可以看作是一個平面力學問題，類似于相互垂直的兩個水平應力σ1、σ2，同時作用于一個帶圓孔的無限大的平面之上。依據彈性力學，通過計算，圓孔孔壁相互垂直的M、N 兩點的應力(見圖1)為

如果σ1＞σ2，那么σM＜σN，故當在圓孔內液壓大于圍巖的承壓時，將在最小切向應力上，產生張破裂。同時，沿垂直于最小壓應力方向，破裂將繼續延伸。通常，我們將使孔壁產生破裂的外加液壓Pb稱為臨界破裂壓力[1]，孔壁破裂處的應力集中加上巖石的抗拉強度T，等于臨界破裂壓力[2]，即為

圖1 水壓致裂-應力示意圖

如果考慮巖石體的孔隙壓力P0，上式即為

式中 σh——最小水平主應力

σH——最大水平主應力

若孔壁在實際測量中破裂，如果繼續對封閉的孔段注液增壓，那么被封隔器封閉的孔段將出現裂隙并擴展向縱深處；如果立即封閉裂壓系統并停止注壓，那么裂隙將不會延伸，并在地應力場的作用下趨向閉合。裂隙張開時的平衡壓力稱為瞬時關閉壓力PS，與垂直裂隙面的最小水平主應力是相等的，即為

用式（3）減去（5），即可實時獲取抗張強度值T

進而求得最大水平主應力σH

垂直方向應力依據上覆巖石的體量進行計算,即

式中 PS——封閉壓力，MPa

Pr——重張壓力，MPa

P0——靜水壓力，MPa

Pb——破裂壓力，MPa

h——測點到讀數儀的垂直距離，m

γw——水的容重，kN/m3

H——埋深，m

γ——上覆巖層容重，kN/m3

圖2 水壓致裂法——地應力測量過程示意圖

地應力測驗工作是基于巷道圍巖鉆孔開展的(如圖2所示)。首先，用注水管將兩個橡膠封隔器推送至指定地方，進而高壓注水，使封隔器漲起來，然后將封隔器巖孔關閉。往巖孔注入高壓水，直至巖壁碎裂，最大水平應力方向就是壓裂的方向。在壓裂后進行印模步驟，當注水膨脹壓力達到一定級別之后，將印痕留在膠筒上，即獲取到壓裂縫和原生裂縫位置，進而獲得最大主應力σH方位。

依據上述原理，通過實測及對應業內計算工作，即可獲得測站點的原巖應力場中的最大水平應力的方位、數值等參數。

2.2 數據處理與研究分析

從水壓過程中，通過各回次的壓力-時間曲線，求得瞬時關閉壓力PS、破裂壓力Pb以及重張壓力Pr，進而計算出巖石抗張強度T、最大水平主應力σH、最小水平主應力σh等參數。圖3所示為一條標準壓裂曲線的各個參數值選取方法。

圖3 應力測量—水壓致裂法—各壓力參數值的選擇

3 現場測試

為了對某礦圍巖地質力學狀況做全面了解，課題組成員與礦方領導研究決定，在煤礦已掘巷道中的特征位置布設兩個測站。為保證測試結果代表性與準確性，選站時應避開較大地質構造帶；測站位置頂板應較完整；巷道高、寬應滿足打鉆要求;通風、水、電系統要求完整。兩個測站布置四個測孔，鉆孔直徑為58mm。頂孔深度約為25 m，且垂直布設；幫孔的深度約為11m，與水平方向有2°～3°夾角，以方便排水，減少水的濕潤效果對煤巖強度造成影響，進而影響研究成果。

3.1 測站位置

根據現場條件和實際應用需求，確定在已掘巷道中有選擇性地選取三個測站。第一測站位于南翼膠帶大巷4#鉆場內，鉆場斷面呈矩形，錨網噴支護，實際巷高4.8m，鉆場斷面寬5.2m，測站處埋深362m。第二測站位于南翼膠帶大巷6#鉆場內，錨網噴支護，鉆場斷面寬5.4m，實際巷高5.1m，測站處埋深364m，鉆場斷面呈矩形。第三測站位于南翼輔運大巷1#鉆場內，錨噴支護，實際巷高5.3 m，鉆場斷面寬5.5m，測站處埋深349m，鉆場斷面呈矩形。具體位置如圖4所示。

3.2 地應力測試

對頂板結構進行觀測研究后，就可以進行地應力測量段標定工作，對各個測量段進行依次壓裂，并對壓力和時間進行實時數據采集與獲取，得到水壓裂曲線圖。結合前述公式，可依次獲得：垂直應力、最大水平主應力、最小水平主應力值等數據。通過引入指南針方向同基線角度值，壓裂裂縫與印?；€所夾角度值，經過計算分析，獲取各應力方向數據，結果如圖5所示。