陽煤一礦地應力的測試與分析

張 浩

（陽泉煤業（集團）有限責任公司一礦，山西 陽泉045008）

煤礦巷道在掘進的過程中，經常出現冒頂、底鼓以及圍巖變形等問題，其主要原因是地應力的作用。地下巖體的受力情況復雜，主要受到原巖應力場、采動應力場以及支護應力場的共同作用，其中原巖應力場的大小和方向對巷道的布置和掘進有著重大的影響。隨著我國國家實力的增強，能源資源消耗速率加快，煤礦開采深度的增加，地應力對巷道圍巖的作用效果更為顯著，往往是重大煤礦事故的主要原因，因此在陽煤一礦地區進行地應力測試，分析地應力的大小和方向以及原巖應力場的分布，對煤礦的安全施工有著重大意義。

由于巖體的自重和地殼的構造運動而形成了地應力。針對陽煤一礦的井巷工程，水平方向的地殼運動對原巖應力分布有重大影響。由于巖石自重所引起的豎直主應力相對比較簡單，容易被計算出來。但是構造運動形成的構造應力場相對比較復雜，它不僅在空間上分布不均勻，而且會隨著時間不停的變化，是一種非穩定應力場。在井巷工程的設計階段，設計者可以不考慮時間的影響，將其看作是不變的應力場進行分析。綜上所述，由于地應力形成的復雜原因和不確定性，目前為止，沒有一個準確的計算公式來表達構造應力場，大部分都是通過現場測量來得到的較為準確的應力場數值，然后根據現場的實測數據，結合已有的地質情況，找到一個相對可靠的地應力分布規律，用來知道井巷工程的實施。

圖1 水壓致裂地應力測量示意圖

1 測量原理與方法

平面應力水壓致裂地應力測試的原理與方法如圖1所示。該方法先在選定位置進行鉆孔窺視，窺視結束后，在選定的測量深度，利用一對可以膨脹的橡膠隔離器，對一段原始鉆孔進行封閉。然后通過油泵對鉆孔的這段封閉區域進行加壓，隨著油壓的升高，圍巖會逐漸發生破壞，壓裂破壞的過程中，通過電腦記錄壓力和流量隨時間的變化，水壓致裂結束后，對該鉆孔再進行一次窺視，就能夠大致得出最大水平主應力的方向。豎直方向的主應力通過巷道埋深以及巖體種類進行計算。圖1是水壓致裂地應力測試的示意圖。地點選在陽煤一礦某一條水平巷道中，在頂板的中部豎直打一個鉆孔，測量該區域的最大和最小水平主應力，巷道埋深274 m，由此可以大致計算其垂直應力。為了減少影響地應力測試的其他因素，盡量選擇離工作面較遠的地方，同時為了消除巷道周圍應力重分布區域的影響，所選擇的測試段要距離孔口有一定的距離。鉆孔深度一般為8 m，每個鉆孔做3～4次測量，本次試驗由于現場設備問題，鉆孔深度在5 m左右，但是對最終的結果影響不大。后期通過篩選，選取完整合理的數據進行地應力分析。

2 地質情況簡介

地應力測試選擇在三采區S8304巷道進行，S8304工作面東部進風巷總體為單斜構造，局部地段發育成為次一級的向、背斜構造。煤層傾角大致在10°～140°之間，一般為60°左右。三采區位于陽煤一礦整個礦區的核心區域，該地區的地應力能夠較好地代表整個礦區的地應力情況。

3 地應力測試結果

陽煤一礦三采區ZK1垂直向上打孔，孔口埋深為630 m，在鉆孔的選定區段內進行壓力測試。通過壓力時間曲線可以看出，在各個時間段內破裂壓力、重張壓力以及閉合壓力具有一定的重復性，說明測試具有一定的可靠性。之后通過測量所得到的閉合壓力和重張壓力來計算所在區域的水平最大主應力和最小主應力值。

深度域內進行了3段壓裂測量。試驗各個段內的破裂壓力、重張壓力及閉合壓力在各個段內清晰可見，重復性較好。為此，由重張壓力和閉合壓力分別計算出各段處的最大水平主應力和最小水平主應力值。

圖2 是水壓致裂實驗當中的壓力和時間記錄曲線。通過水壓致裂的理論計算公式結合實驗曲線獲得的參數，可以計算得出三個主要參數，即破裂壓力值、重張壓力值以及閉合壓力值。進一步可以求得最大和最小水平主應力值。然后通過上覆巖層的厚度以及陽煤一礦巖石的容重來計算各個區段的垂直應力值。詳細的結果見表1。注：1.Pb為巖體的破裂壓力；Pr為鉆孔的重張壓力；Ps為鉆孔破裂面的閉合壓力；P0為巖體的孔隙壓力；T為巖石抗拉強度；Sh為水平最小主應力；SH為水平最大主應力；Sv為垂直主應力；鉆孔水位約為590m，孔隙壓力按此水位估算。2.垂向應力Sv的計算取上覆巖石的容重為：2.65 g/cm3。

表1 陽煤一礦三采區ZK1孔水壓致裂應力測量結果

由表1可知，最大水平主應力值范圍為24.24～30.88 MPa，最小水平主應力范圍為11.95～15.27 MPa，垂直主應力范圍為16.29～16.35 MPa。分析鉆孔不同深度上的三向應力（圖3），以水平應力作用為主，三向應力值關系表現為SH＞Sv＞Sh。

水壓致裂試驗結束后，再使用窺視儀器對鉆孔進行觀察，就可以得到該孔壓裂過程中破裂峰值較為明顯的主應力方向。水壓裂縫垂直展布并在孔壁兩側對稱出現，準確反映了壓裂縫的性狀（圖4）。該鉆孔地應力測試所確定的最大水平主應力（SH）的方向為N47°E～N53°E，也即該鉆孔最大主應力方向為NE向。

圖2 ZK1鉆孔壓力－時間記錄曲線

圖3 ZK1鉆孔主應力值隨深度變化圖

圖4 ZK1鉆孔壓裂前、后裂縫圖

4 結論

1）對陽煤一礦地區地應力場進行檢測，測量鉆孔不同區域的垂直應力、最大水平主應力和最小水平主應力。實驗結果發現陽煤一礦地應力中以水平主應力為主，三向地應力在數值上的大小關系為SH＞Sv＞Sh，符合構造應力場的典型特征。

2）水壓致裂試驗結束后，對鉆孔機進行窺視發現，張開裂縫在孔壁兩側呈現對稱狀出現，符合水壓致裂產生裂隙的特征。

3）通過水壓致裂試驗發現，最大水平主應力（SH）的方向為N47°E～N53°E，也即該鉆孔最大主應力方向為NE向。