某煤礦深部地應力測量及巷道圍巖應力場分布規律

熊 鋒

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢 430050)

1 概述

近年來，我國煤礦開采逐漸由淺部轉入深部。隨著開采深度的增大，一系列工程災害也隨之而來：如巷道變形加大、采場失穩加劇、巖爆與沖擊地壓劇增等[1]。“三高與時間效應”(地應力高、溫度高、滲透壓高及較強的時間效應)使得深部巖體的組織結構、基本行為特征和工程響應均發生了根本性的變化，也是導致深部開采中災變事故發生的根本原因[2]。因此，了解深部巷道的地應力特征及巷道圍巖的應力分布規律是實現巷道圍巖穩定與施工安全控制的必要條件之一。

由于地應力的存在，地殼受壓會產生緩慢的流變，但仍處于應力平衡狀態。然而，巷道開挖意味著卸荷，破壞了地殼內原有的地應力平衡狀態，使得一定范圍內巷道圍巖的初始應力場發生了改變。在這個影響范圍之內，巷道垂直應力增大，圍巖將產生回彈；超過這個范圍，巷道垂直應力仍保持原有的應力狀態。根據彈性力學理論，對于圓形巷道，其影響范圍約為3倍洞徑。如果考慮到開挖擾動效應、應力集中效應以及相鄰巷道的影響，應力的調整范圍則可能進一步擴大，且調整范圍從理論上來說是不確定的，需要通過現場的地應力測試來確定。因此，了解巷道圍巖應力的調整范圍及其分布規律至關重要，對支護方案的選擇及支護參數的優化具有重要的工程意義。

目前，地應力測試的方法有很多種，根據測量原理的不同，可以分為直接法和間接法兩大類[3-4]。直接測量方法中廣泛使用的是水壓致裂法[5-8]。蔡美峰等應用水壓致裂法對玲瓏金礦深部地應力進行測量，得到礦區應力場的分布規律；劉允芳采用水壓致裂法對單孔中的三維應力進行測量，得到了相關的應力數據。水壓致裂法對環境的要求相對比較寬松，能測量地下較深處的絕對應力狀態，且無需了解和測定巖石的彈性模量，具有測量空間范圍大、受局部影響小、成功率高等優點[9]。間接測量中廣泛使用的是應力解除法，其發展歷程較長，技術比較成熟[10-11]，如劉允芳等采用應力解除法對空心包體式鉆孔的地應力進行測量，得到鉆孔的三向應力應變數據。

以下采用水壓致裂法，對某煤礦-790 m高程深部巷道進行地應力測試，研究深部巷道的原巖應力和巷道圍巖的地應力分布規律。

2 工程概況

該煤礦可采煤為15層，煤層總厚度為31.7 m，分-530 m和-800 m兩個面水平開采，現正向第二水平面開拓延深伸。

為保證地應力測試的順利進行，選擇高程為-790 m的東翼矸石膠帶機大巷(實際高程為-773.8 m)作為試驗巷道，測試地點距聯絡巷約60 m(如圖1所示)。在膠帶機大巷附近還有軌道大巷(實際高程為-792.8 m)，兩條巷道的水平距離約為75 m，垂直距離約為19 m(如圖2所示)。軌道大巷位于中細砂巖層中，膠帶機大巷位于泥巖、粉細砂巖層中，周圍沒有大的斷裂構造帶通過。

圖1 地應力測試地點

圖2 相鄰巷道布置(單位：m)

3 地應力測試

3.1 測試方案

圖3 地應力測試孔及測點布置(單位：m)

采用水壓致裂法進行地應力測試。水壓致裂法一般可分為平面應力測量和三維應力測量[9]，本項目采用平面應力測量。在巷道的兩幫及底板布置了3個測試孔(如圖3所示)。其中，1號、3號測試孔為水平孔，孔徑110 mm，孔深25 m，均從孔深4.4 m處開始測量，然后每隔3 m測量一次，每孔測量7次；2號為垂直孔，孔徑為110 m m，孔深25 m，采用取芯鉆進行鉆孔，并對取得的巖芯進行抗壓強度測試，以查明巷道圍巖的基本力學性質。

3.2 測試結果

水壓致裂法測試過程中，部分測量壓力曲線如圖4所示，分別顯示了1號孔7.4 m處、2號孔22 m處及3號孔7.4 m處壓力曲線隨時間的變化情況。根據試驗曲線，可以得到破裂壓力、重張壓力及關閉壓力，進而根據水壓致裂法平面應力測量的基本假定及計算公式[7]，可以得到最小水平主應力及最大水平主應力(如表1、表2及表3所示)。

其中，D表示孔深，Pb表示破裂壓力，Pr表示重張壓力，Ps表示關閉壓力，σH表示最大水平主應力，σh表示最小水平主應力，σV表示自重應力。

圖4 1號孔、2號孔、3號孔地應力測量壓力曲線

表1 1號孔地應力測試結果

表2 2號孔地應力測試結果

表3 3號孔地應力測試結果

4 地應力特征及相鄰巷道影響

4.1 地應力特征

地應力測量結果表明，煤礦-790 m高程地應力具有如下特征。

(1) 地應力大

由表2可以看出：2號孔最大水平主應力為28.33 MPa，最小水平主應力為16.33 MPa。在鉆孔過程中，對3個孔的巖芯進行了單軸抗壓強度測試(如表4所示)，其平均抗壓強度為164.8 MPa,Rc/σmax=164.8/28.33=5.8,根據規范[12]可知，Rσmax在4～7范圍內為高應力。故煤礦-790 m高程處為高應力區。

表4 巖樣的單軸抗壓強度

(2)原巖應力場以水平構造應力為主

3號孔受鄰近巷道(-790 m底板軌道大巷)影響較大，故只考慮1號、2號測試孔的原巖應力測試結果。由表1及表2可知：1號孔22.4 m處側壓力系數(λ=σH/σV)為1.69，2號孔的側壓力系數(λ=σH/σV)為1.63，兩處的測試結果較為接近，表明煤礦-790 m高程原巖應力場以水平構造應力為主。

(3)巷道兩幫的應力分布具有規律性

由圖5及圖6可知，在巷道開挖之前，地殼處于地應力平衡狀態，其內部的初始應力狀態如圖5中的應力圓①。在開挖過程中，巷道圍巖受到擾動，導致圍巖產生了一定的損傷，降低了圍巖的承載能力[13-15]。

開挖之后到支護之前，此時巷道洞壁處的水平應力為0，垂直應力加大，巷道圍巖的應力狀態如圖5中的應力圓②，垂直應力沿洞深的分布情況如圖6中的分布曲線①。然而，這種狀態是不穩定的，隨著應力的調整和傳遞，圍巖產生回彈，巷道兩幫將產生向內的收縮變形，靠近洞壁處的垂直應力也會迅速下降，此時洞壁處的應力狀態迅速由圖5中的應力圓②下降為應力圓③，垂直應力沿洞深的分布也由圖6中的分布曲線①轉變為分布曲線②。實際上，在上述的應力調整過程中，巷道圍巖的力學性質也在不斷變化，一方面由于開挖擾動的影響，巷道圍巖的力學性質出現了一定程度的下降，導致其承載能力降低；另一方面，由于應力集中，靠近洞壁處的圍巖進入塑性區，也在一定程度上降低了圍巖的承載力。此外，如果考慮流變因素，即隨著時間的增長，圍巖的強度不斷降低，最終達到穩定強度，洞壁的應力狀態也由圖5中的應力圓③下降為應力圓④，垂直應力沿洞深的分布也由圖6中的分布曲線②轉變為分布曲線④。開挖擾動、應力集中及長期強度的影響都會導致圍巖的應力逐漸轉移，但出現的階段不同。

圖5 開挖前后幫部圍巖的應力圓

圖6 開挖后幫部圍巖的應力狀態變化

將表1及表3中最大主應力及最小主應力的測試結果表示成隨深度分布的形式(如圖7所示)。由圖7可知，1號孔的最大、最小主應力從4.4 m處開始增加，在10.4 m處達到最大值，然后逐漸減小并趨于穩定；3號孔的最大、最小主應力從4.4 m處開始增加，在13.4 m處達到最大值，然后逐漸減小。受測試深度的限制，并沒有得到最終的穩定值。比較圖7和圖6中曲線④的分布規律可以發現，它們的規律基本一致，說明理論分析與測試結果相符。另外，根據圖5的應力圓可知，巷道圍巖的承載能力在靠近洞壁處最差，距離洞壁越遠，承載能力越強，最終趨于一個定值。

圖7 巷道圍巖兩幫主應力分布

4.2 鄰近巷道影響

若不考慮左側鄰近巷道(底板軌道大巷)對膠帶機大巷的影響，巷道兩幫測試孔1號和3號的應力分布在測試誤差的范圍內應該比較接近。然而，比較圖7中巷道左右兩幫的應力分布可以發現，受鄰近巷道的影響，一側的巷道幫部應力分布具有以下幾個方面的特點。

(1)應力調整范圍擴大

未受鄰近巷道影響的1號測試孔在約2倍洞徑處主應力達到最大值，而受到鄰近巷道影響的3號測試孔則在約2.5倍洞徑處主應力達到最大值，說明受到鄰近巷道的影響，最大主應力向更深處轉移(應力的調整范圍擴大了)。另外，1號測試孔的主應力達到最大值后很快趨于一個穩定值，而3號測試孔的應力在同樣的深度卻依然未達到一個穩定值，這也說明3號測試孔應力調整的范圍超過了1號測試孔。

(2)主應力值降低

對于相同的孔深，3號測試孔的主應力均小于1號測試孔，說明隨著應力調整范圍的擴大，對應主應力值降低。

(3)構造應力和應力集中程度降低

由表1和表3可知，3號測試孔中的側壓力系數要小于1號測試孔，說明受鄰近巷道的影響，巷道的構造應力下降，應力集中程度降低。

5 結論

(1)煤礦-790 m高程處的東翼矸石膠帶機大巷屬于高應力區，最大主應力達到28.33 MPa。側壓力系數在1.63～1.87之間，表明原巖應力場以構造應力為主。

(2)受到開挖擾動、應力集中及長期強度的影響，巷道兩幫應力不斷調整，最終巷道兩幫的應力沿洞深的分布表現為先逐漸增大，然后緩慢減小，最終趨于一個穩定值。

(3)受相鄰巷道的影響，巷道幫部的應力變化表現為：應力調整范圍擴大、主應力值減小、側壓力系數減小及應力集中程度降低。