千米深井地應力測試技術(shù)研究與應用

邢世坤

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000）

大量的煤礦開采實踐表明，生產(chǎn)過程中發(fā)生的動力現(xiàn)象如巷道變形、頂板來壓、沖擊地壓、瓦斯突出等都與礦井地應力有密切的關(guān)系。在進行數(shù)值模擬和巷道支護設計時，地應力參數(shù)往往都是以靜水壓力理論為依據(jù)計算得來的。據(jù)統(tǒng)計，隨著煤礦開采深度的增大，基于靜水壓力的理論計算值的誤差增大，在現(xiàn)場應用中造成支護設計等不符合現(xiàn)場要求，給煤礦安全生產(chǎn)帶來隱患。為此，在深部礦井開展地應力測量，具有重要的意義。

1 概 況

邢東礦于2001 年11 月建成投產(chǎn)，目前開采山西組2 號煤層，邢東礦地表被第四系松散沉積物覆蓋，屬于全掩蓋區(qū)。所采煤層為2 號煤，位于山西組下部，是井田最主要的可采煤層，此次原位地應力測試的1200 采區(qū)1224 區(qū)段，其煤層及其頂?shù)装鍘r性的分布如圖1 所示。

圖1 1224 工作面綜合柱狀圖Fig.1 Synthesis column of No.1224 Face

2 井下地應力測試

2.1 試驗地點選擇

當前常用的地應力測量方法有空心包體鉆孔應力解除法和水壓致裂法2 種。水壓致裂法是一種二維的測量方法，僅能確定最大和最小主應力，對中間主應力測量難度大甚至無法測量，而應力解除法可以通過12 個應變片對鉆孔圍巖內(nèi)的應力進行準確的測量。結(jié)合邢東礦的實際情況，確定采用空心包體鉆孔應力解除法。

此次現(xiàn)場測試目的是獲取邢東礦1200 采區(qū)1224 區(qū)段的地應力測試數(shù)據(jù)，地點是根據(jù)1224 區(qū)段已知地質(zhì)構(gòu)造、煤層及頂?shù)装宓膹姸鹊壬a(chǎn)地質(zhì)條件資料，先在礦井采掘工程平面圖上預選出一些可行的位置點。測點位置盡量選取受采動影響較小并且遠離斷層等地質(zhì)構(gòu)造帶的區(qū)域，在圖紙上初步選取位置后，井下進行現(xiàn)場踏勘確定。最終選取邢東礦2 處地應力測試任務點，分別編號為1 號、2號測點。1 號測點位于1300 集中運料巷中部，距離密閉墻73 m 處，沿掘進方向右?guī)停? 號測點布置在1200 集中運料巷導G28A 前32 m 右?guī)吞帲?個測點布置如圖2 所示。在2 個測點巷幫距巷道底板1.5 m 施工鉆孔，向上傾斜3°～5°，鉆孔深度為10 m，如圖3 所示。

圖2 地應力測量測點布置Fig.2 Measurement points arrangement of in-situ stress test

圖3 地應力鉆孔示意Fig.3 Drilling indication of in-situ stress test

2.2 測試步驟

地應力測試分4 個步驟進行。

2.2.1 施工地質(zhì)鉆孔

采用專用的鉆頭，在測點巷幫指定位置施工鉆孔，鉆孔直徑為133 mm，鉆孔角度不宜過大，采取近水平施工，以保證應變計的安裝位置位于原巖應力區(qū)。

當鉆孔至預定長度時，取出巖芯，并編號套袋保護巖芯。之后，采用長370 mm，直徑40 mm 的小鉆頭打空心包體小孔，如圖4 所示。

圖4 套孔施工Fig.4 Hole construction

2.2.2 安裝空心包體

將配制好的環(huán)氧膠倒入應力計的空腔，用鋁絲銷子進行固定，將空心包體安裝到定位器上，伸入測量鉆孔內(nèi)，然后將環(huán)氧膠擠出，使得包體與鉆孔孔壁緊密貼合，如圖5 所示。

圖5 空心包體探頭安裝Fig.5 Hollowinclusion probe installation

2.2.3 取導向桿

15 h 后，環(huán)氧膠完全固化，利用定向儀測量鉆孔內(nèi)包體的角度，同時記錄鉆孔參數(shù)。之后，取出安裝鉆桿和定向儀。

2.2.4 應力解除

將空心包體的導線電纜從取芯管、鉆桿孔、鉆機和改裝過的水節(jié)頭穿出，連接到數(shù)字應變儀上。開動鉆機注水，讀取記錄應變儀上的讀數(shù)。套筒取芯，作應力解除，此時應變儀上應變數(shù)值會變化，并自動將應變數(shù)值記錄在應變儀中，套芯結(jié)束后，取出帶有空心包體的巖芯，將巖芯包裹好，防止巖性發(fā)生改變，將巖芯帶到地面，準備下一步試驗。取芯過程如圖6 所示。

圖6 應力解除Fig.6 Stress release

3 地質(zhì)力學評價

3.1 測孔巖芯物理力學性質(zhì)試驗

通過加載使試件軸向壓縮和軸向膨脹，帶動表面的橫縱應變片變形，通過連接計算機可以測得應變片應變，即被壓縮試件的橫縱應變值。該試驗可以由試件破壞時的破壞載荷得到巖石的抗壓強度Rc；通過巖石應變，由應力- 應變曲線得到巖石的彈性模量和泊松比。

巖石劈裂試驗是通過對塊狀試件側(cè)面加壓來達到拉應力的效果，通常采用“巴西劈裂法”對圓盤試件或方片式試件進行加壓試驗達到拉伸的效果，求得巖石的抗拉強度為σt。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算得到2 組試件的抗壓強度、彈性模量和泊松比，見表1。

表1 巖樣單軸抗壓強度數(shù)據(jù)匯總Table 1 Data summary of uniaxial compressive strength of rock sample

3.2 測孔巖芯的地質(zhì)力學評價

以1 號測點為例，地質(zhì)力學評價如下。

（1） 巖芯描述。地應力測試過程所取巖芯完整，根據(jù)顏色及巖石顆粒判斷，巖性為砂巖。

（2） 普氏評價。巖石的單軸抗壓強度為86.5 MPa，普氏系數(shù)為8.7，抗壓試驗前巖樣表面平整，未發(fā)現(xiàn)裂隙存在，試驗過程中巖石出現(xiàn)縱向裂隙，并且發(fā)出較大聲音，由此判斷巖石儲量的彈性能較大，并且?guī)r石的彈性模量為31.09 GPa，綜合判斷該巖石屬于硬巖。

（3） RQD 評價。現(xiàn)場采用外徑133 mm 的套筒取芯，記錄取芯總長度為2.5 m，其中長度大于10 cm 的巖芯測量總長度為1.6 m，由RQD 計算方法，計算得到1 號巖芯的巖石完整性指數(shù)為64%，根據(jù)巖石工程分級，巖石取芯完整性中等。

綜合以上對1 號鉆孔巖芯評價，可知其巖性為白色砂巖，巖石顆粒致密，強度高，完整性中等，巖石質(zhì)量較好。

4 試驗數(shù)據(jù)整理及分析

4.1 地應力測試數(shù)值整理

4.1.1 1 號孔地應力測試結(jié)果

1 號鉆孔處所測得的地應力大小和方向數(shù)據(jù)見表2。

表2 1 號測孔主應力大小和方向Table 2 Principal stress magnitude and direction of No.1 measuring hole

4.1.2 2 號孔地應力測試結(jié)果

2 號鉆孔處所測得的地應力大小和方向數(shù)據(jù)見表3。

表3 2 號測孔主應力大小和方向Table 3 Principal stress magnitude and direction of No.2 measuring hole

4.2 地應力測試分析

綜合1 號、2 號兩個測點的觀測結(jié)果，邢東礦地應力的分布見表4。

通過表4 可以看出，邢東礦地應力呈現(xiàn)出如下特點。

表4 邢東礦地應力測試數(shù)據(jù)匯總Table 4 Stress test data summary of Xingdong Mine

（1） 地應力大。本次測試，2 個測點埋深在809～820 m，從測試結(jié)果來看，邢東礦地應力總體較大，1 號測點最大水平主應力為33.1 MPa，2 號測點最大水平主應力為32.5 MPa。

（2） 原巖應力場以水平應力為主。2 個測點均表現(xiàn)出σH＞σv＞σh，即水平主應力為最大主應力，而水平應力主要作用于巷道頂?shù)装澹虼嗽趯嶋H生產(chǎn)中應加強支護。

（3） 側(cè)壓系數(shù)。2 個測點1 號、2 號側(cè)壓系數(shù)分別為1.81 和1.45，礦井水平應力較大，存在構(gòu)造應力的影響因素。

5 結(jié) 論

（1） 應力解除法可以通過12 個應變片對鉆孔圍巖內(nèi)的應力進行準確測量，結(jié)合邢東礦的實際情況，確定采用空心包體鉆孔應力解除法進行地應力測量。

（2） 邢東礦頂板巖石的單軸抗壓強度為86.5 MPa，彈性模量為31.09 GPa，巖石完整性指數(shù)為64%，巖石取芯完整性中等，巖石顆粒致密，強度高，完整性中等，巖石質(zhì)量較好。

（3） 邢東礦地應力總體較大，其中水平應力為最大主應力，且水平應力數(shù)值較大，存在構(gòu)造應力，在實際生產(chǎn)中應加強對巷道頂板的支護。