安居煤礦地應力測試及其應用研究

張書磊，于海鋒，張 寧，李 友

（1.山東濟礦魯能煤電股份有限公司 陽城煤礦，山東 濟寧 272502；2.山東科技大學能源與礦業工程學院，山東 青島 266590）

0 引 言

初始地應力的大小、方向及其分布狀態決定了深部巖體的受力狀態[1]。對于煤炭開采而言，地質條件復雜，加之近年來開采深度的進一步增大，導致高地應力作用下的深部礦井巷道大變形、冒頂等各類災害事故頻發，因此地應力研究對于煤炭安全、高效開采具有重要意義[2]。

近年來，許多學者已對地應力及其測量做了大量研究和分析，如蔡美峰等[3-5]發明了一種完全溫度補償的地應力測量方法和裝置，提出了符合工程巖體特性的測量理論與計算方法，為實現科學采礦創造了必要條件；康紅普等[6-7]基于對各種測量方法優缺點的分析，提出了一種適用于深部煤礦巷道的小孔徑水壓致裂地應力快速測量方法，并詳細闡述了其原理、裝置的組成部分以及技術特征，推進了我國礦山地應力測量的開展、普及與提高。張廣超[8-9]等對巨野礦區的地應力場分布規律做了詳細研究，并結合地質構造特征提出了具體的圍巖控制方法；劉江[10]等對伊泰礦區進行了原巖應力測量，分析了地應力隨埋深的變化規律及相關的地應力場分布特征；王炯等[11]研究了星村礦的地應力特征，分析了地應力場與區域構造的關系。上述研究為我國煤炭開采積累了大量實測數據，促進了我國地應力的研究和發展。

本文采用空心包體應力解除法對安居煤礦進行了地應力測量，補充了對該礦地應力場的認識，并在此基礎上分析了地應力對巷道穩定性的影響，提出了針對安居煤礦巷道布置及支護設計的合理化建議，對該礦的安全開采具有重要意義。

1 概 況

安居煤礦位于濟寧煤田中西部，北距兗新鐵路約8 km，東距濟寧市約8 km；井田東西寬2.3～10 km，南北長13 km，面積75.40 km2。礦井采用立井開拓，地形西北高東南低，自然地形坡度0.4‰。礦井主采煤層為3 上煤層，為全隱蔽的華北型石炭-二疊系含煤井田，全區厚度為0.67～4.60 m，平均2.68 m，開采標高-820—-1800 m，平均-940 m。整體上井田東北部地層較淺，西南部較深，總體構造形態為向SW 方向傾伏的寬緩向斜，地層傾角2°～19°，平均14°，礦井內的主要斷層見表1。

表1 安居煤礦主要構造一覽Table 1 List of main structures of Anju Mine

2 礦井地應力實測

結合安居煤礦現場工程地質條件，采用空芯包體應力解除法進行地應力現場原位測量。

2.1 技術裝備及測點選取

2.1.1 技術裝備選擇

此次地應力測量采用的空心包體應力解除法，是目前測量方法中唯一可以在單孔中取得測點三維應力狀態的方法。

2.1.2 測點位置選取

測點選取應滿足：①具有一定的代表性；②需避開采空區及地質構造復雜地段；③兼顧生產、安全以及測量工作效果；④鉆孔需位于同一巖層。綜上原則并結合安居煤礦的開采條件，共選取如圖1所示的2 個測點，相關技術特征見表2。

圖1 測點位置分布Fig.1 Location distribution of measuring points

表2 測點技術特征Table 2 Technical characteristics of measuring points

2.2 室內實驗

為獲得原巖應力所需如彈性模量、泊松比等關鍵參數，將礦方在測點附近所取巖樣做成標準件，進行有卸載循環的巖石力學試驗，如圖2 所示。巖石的彈性模量E和泊松比μ具體按式（1）進行計算：

圖2 卸載循環力學參數試驗Fig.2 Unloading cycle mechanical parameter test

式中：σ 為軸向的應力；ε 為軸向應變；εh為軸向應變；εv為單軸抗壓強度50%時的徑向應變。

經實驗室測試，得出測點1 彈性模量25 GPa，泊松比0.32；測點2 彈性模量30G Pa，泊松比0.30。

2.3 現場測量過程及關鍵步驟

①打地質鉆孔，先打出巷寬1.5～2 倍，直徑130 mm 的測量大孔，然后打出深6～8 cm 的變徑導向孔，再換直徑36 mm 的小鉆頭，鉆出孔深40 cm 的測量小孔；②安裝空心包體，先利用棉紗、洗孔器、丙酮，清洗鉆孔，然后測量小孔長度，按比例配制環氧膠粘結劑，再按順序將空心包體、定位器及導桿安裝，保證A 應變片豎直向上；③測量鉆孔參數，待環氧膠粘結后，依次取出定位器、導向器、導向桿，然后用地質羅盤測量鉆孔的方位角與傾角；④校核應變儀，分段標記解除距離，隨鉆機推進逐步加長鉆桿，同時注水并進行數據采集；待應變儀讀數趨于穩定時，停止解除并取出帶有應力計的巖芯。

3 地應力測試結果及分析

結合室內實驗數據與測量過程獲得的應力解除曲線，計算出各個測點的應力結果，從主應力的大小、方向等方面對地應力場進行綜合分析。

3.1 地應力測量結果

根據上述地應力測量過程獲得的應變值，結合室內試驗，繪制出y（n）曲線，如圖3 所示。

圖3 應力解除曲線Fig.3 Stress relief curve

分析可知，解除過程可大致分3 個階段：①應力解除面未到達應變片截面時，各個通道監測到的應變值較小，可理解為“開挖效應”引起的圍巖應力轉移；②應力解除面通過應變片所在截面時，應變值逐漸增加直至達到最大值；③應力解除面通過應變片所在截面后，各個通道應變值有不同程度的降低，最終趨于穩定。將穩定后的數據作為初始應變數據，計算結果匯總見表3。

表3 測量結果匯總Table 3 Summary of measurement results

3.2 地應力場分布特征及分析

3.2.1 垂直主應力誤差分析

根據實測結果，垂直主應力的范圍為24.30～29.63 MPa，平均值為26.97 MPa。為驗證測量結果的準確性，本文首先計算出垂直應力理論值，然后將理論值與各測點的實測結果值列于表4 進行對比分析，垂直應力σv理論值按式（2）計算。

表4 垂直應力誤差分析Table 4 Vertical stress error analysis

式中：γ 為巖層容重，取25 kN/m3；H 為深度。

由表4 可知，實測結果的誤差值最大為8.5%，最小2.8%，平均誤差不超過6%，理論值與實際測量值吻合較好，說明測量結果準確性較高。

3.2.2 地應力場量級及類型

將5 個測點的最大主應力、中間主應力和最小主應力的方位角以及應力值匯總在立體網格上，如圖4 所示。統計分析可知：安居煤礦的最大主應力值為40.73～60.41 MPa，平均為50.57 MPa；最小主應力為20.05～25.27 MPa，平均為22.66 MPa；中間主應力為26.37～30.45 MPa，平均為28.41 MPa。根據應力區劃分標準，安居煤礦1 號測點、2 號測點所代表的應力區均屬于超高應力區，因此應特別重視由高應力引起的一系列采場動力現象。

圖4 主應力分布立體網格圖Fig.4 Dimensional grid diagram of principal stress distribution

進一步分析可知，安居煤礦應力場類型特征呈現為σH＞σv＞σh，以水平應力為主導，垂直主應力為第二主應力。最大水平主應力σH與最小水平主應力σh的比值介于2.03～2.39，在量值上相差較大，這使得水平應力對巷道頂、底板的影響表現出較明顯的方向性；最大水平主應力σH的大小約為垂直主應力σv的1.54～1.98 倍，由“最大主應力原理”可知，此類型地應力場對巷道頂底板的穩定性影響較大。

3.2.3 主應力方向及側壓系數分布特征

對安居煤礦最大主應力方向進行統計分析可知，1 號、2 號測點的最大水平主應力方向分別為117.49°和115.46°，平均為118.47°，因此可以確定，安居煤礦地應力場的方向為ESE-WNW 向（E28.47°S）。此外，根據地應力實測結果匯總表可知兩測點均有2 個主應力方向接近水平方向，其傾角在±20°之間，其垂直方向的主應力σv與垂直方向偏角分別為20.09°、8.24°。結合巷道方位特征可知，1 號測點處巷道呈東北-西南走向，2 號測點處巷道呈南-北走向，巷道軸向與測點最大水平主應力σH分別呈65°、41°夾角，如圖5所示。

圖5 巷道與主應力夾角示意Fig.5 Included angle between roadway and principal stress

側壓系數是描述地應力場的物理量之一，其大小為水平主應力平均值與垂直主應力的比值，也即：λ=（σH+σh）/2σv。根據統計結果，安居煤礦的側壓系數為1.15～1.41，平均值為1.28。

4 現場應用

4.1 地應力對巷道穩定性影響分析

（1）根據安居煤礦地應力測量結果，1 號、2號測點的最大水平主應力方向均為ESE-WNW 向。因此可以推測，在已掘巷道中，井底車場附近水平主應力對東南-西北走向的大巷影響較大；在-1 155 m 水平變電所附近，水平主應力對南北走向的大巷影響較小。

（2）垂直主應力超過25 MPa，側壓系數相對較高（1.15～1.41），這對巷道、硐室的穩定性極為不利，在最大水平應力作用下，頂底板巖層極易發生剪切破壞，從而進一步增大圍巖變形。因此在支護時應該要求錨桿強度大、剛度大、抗剪能力強，才能起到相應的約束作用。

（3）礦井測點所在區域屬于超高應力區，且存在巷道軸向近乎垂直于最大水平主應力的情況，在同等巖性和巷道支護條件下，該區域內的巷道將表現出更為明顯的底鼓及頂板下沉現象，同時也增加了巷道發生動力災害的危險，應加強巷道支護并保持對巷道動力現象的持續關注。

4.2 巷道設計及支護建議

根據地應力實測結果及上述分析，對安居煤礦的巷道設計及支護提出如下建議。

（1）應重視巷道頂底板的控制問題，特別當頂底板為強度較低、整體性較差的巖體時，更應提高頂底板支護結構的強度與結構性。

（2）對于未開掘的巷道，要盡可能的避免出現巷道軸線方向與最大水平應力方向垂直的情況，以減少水平應力對巷道穩定性的影響。

（3）當必須布置巷道掘進方向與最大水平應力垂直時，應該提高巷道的初次支護強度，防止巷道兩幫和頂底板發生大范圍的變形破壞，同時還要充分考慮最大水平應力的大小，既要避免支護強度不夠，也要避免過度支護。

（4）要多開展地應力測量工作，在掌握大量地應力實測數據的基礎上，采用以地應力實測為基礎的信息反饋設計法進行巷道支護設計，以使巷道支護參數更能符合實際受力狀況。

5 結 論

（1）礦井的最大主應力平均值為50.57 MPa；主應力方向為118.47°（E28.47°S）；屬于水平應力占絕對主導的σH＞σv＞σh型地應力場，在量級上屬于超高應力區。

（2）礦井側壓系數λ 范圍為1.15～1.41，平均值為1.28；垂直主應力平均誤差不超過6%，說明測量結果準確性較高。

（3）巷道在支護設計時，主要考慮加強頂底板的初次支護強度，同時要加強礦井對動力災害的預防。