潞寧煤礦深部巷道原巖應力分布規律研究

張 斌

(山西潞安集團潞寧煤業有限責任公司,山西 忻州 036700)

原巖應力是引起井工煤礦工程變形和破壞的根本作用力,在巷道圍巖控制領域,確定原巖應力的大小和方向是科學進行巷道支護設計的首要前提[1-3]。水力壓裂法與應力解除法為目前常用的原巖應力測試方法。廣大科研工作者針對原巖應力測量開展了系列研究,并取得一定成果。康紅普[4]采用水力壓裂法測量了10余座埋深小于200 m的淺部礦井的原巖應力數據,分析了淺部礦井原巖應力場類型與原巖應力分布特征。伊丙鼎[5]梳理了我國井工煤礦千余條原巖應力數據,建立“中國煤礦應力環境數據庫”,統計分析了井工煤礦原巖應力分布特征及不同影響因素。

潞寧煤礦隨著開采強度與深度的增大,礦井受構造運動影響,原巖應力場復雜,巷道圍巖控制難度逐漸增大。本文在潞寧煤礦開展了6個測點的原巖應力測量,基于實測數據,分析潞寧煤礦原巖應力場分布特征,從而指導巷道支護設計。

1 潞寧煤礦原巖應力測量概況

1.1 潞寧煤礦地質條件概況

潞寧煤礦位于山西省忻州市寧武縣,井田長約9.3 km,寬約4.8 km,井田面積約31 km2,主采2號煤,煤層平均厚度為4.1 m,一次采全高采煤工藝。共布置4個采區,其中,四采區局部開采深度已超600 m.

1.2 潞寧煤礦原巖應力測量統計數據

潞寧煤礦原巖應力測試采用水力壓裂法。水力壓裂法測量原巖應力為平面應力測量方式[6]。測試時,每個測點在頂板布置深度為25 m、孔徑為58 mm鉆孔,結合圍巖綜合柱狀圖及鉆孔窺視結果,選取圍巖完整巖石段作為測試段,采用水力壓裂原巖應力測試裝備對測試段進行封孔、高壓注水并反復加壓,致裂巖層,獲得圍巖的破裂壓裂Pb、重張壓力Pr及瞬時關閉壓力Ps,結合水的容重γw,通過公式(1)計算獲得最大水平主應力σH與最小水平水應力σh.垂直應力根據上覆巖層容重計算。

σH=3Ps-Pr-2γwh
σh=Ps-γwh

(1)

潞寧煤礦原巖應力測試地點包括準備巷道、回采巷道,涉及2號煤與3號煤,共計6個測點。原巖應力測量結果如表1所示。表中,σH為最大水平主應力,MPa;σv為垂直主應力,MPa;σh為最小水平主應力,MPa.上述測點中典型的水力壓裂曲線與印模圖如圖1與圖2所示。

表1 原巖應力測量統計數據

圖1 22118運輸巷600 m測點水力壓裂曲線

圖2 22118運輸巷600 m測點水力壓裂印模圖

2 潞寧煤礦原巖應力場特征研究

2.1 原巖應力量值及應力場類型

潞寧煤礦6個測點最大水平主應力量值均大于垂直主應力,說明潞寧煤礦深部巷道原巖應力總體上水平應力占優勢,屬于典型的構造應力場。按照主應力大小排列,潞寧煤礦深部巷道原巖應力場均為σH>σv>σh型應力場。6個測點中,原巖應力量值最大為29.22 MPa,最小為11.34 MPa.對于最大水平主應力,所有測點值均大于20 MPa,因此,潞寧煤礦深部巷道原巖應力量值目前處于高應力區。

圖3 潞寧煤礦原巖應力散點分布

2.2 原巖應力隨埋深變化規律

從圖3中可看出,潞寧煤礦原巖應力總體上隨埋深增大逐步增大。線性擬合分析最大水平主應力量值、最小水平主應力量值,得到最大水平主應力、最小水平主應力、垂直主應力隨埋深變化的線性回歸公式:

σH=0.029H+6.789
σh=0.013 3H+4.895
σv=0.024 5H

(2)

從公式及擬合曲線可以看出,隨著埋深增加,最大水平主應力與垂直主應力的增速大于最小水平主應力,進而可通過式(2)對潞寧煤礦深部地區其他未開展測量區域原巖應力進行預估。

2.3 最大水平主應力與垂直主應力的比值隨埋深的變化規律

最大水平主應力與垂直主應力的比值(側壓比k1)隨埋深的變化如圖4所示。表明潞寧煤礦深部巷道k1離散性較小,最大水平主應力與垂直主應力的比值集中在1.6～1.7.

2.4 最小水平主應力與垂直主應力的比值隨埋深的變化規律

最小水平主應力與垂直主應力的比值(側壓比k2)隨埋深的變化如圖5所示。由圖分析可知,k2離散性較小,最小水平主應力與垂直主應力的比值集中在0.8～0.9,說明最小水平主應力隨埋深增大,逐漸從大于垂直主應力演變為小于垂直主應力,且兩者之間的差值有增大趨勢。

圖5 側壓比k2隨埋深變化的散點圖

2.5 最大主應力與最小主應力之差與垂直應力的比值隨埋深的分布規律

井巷開挖、煤層采動均會改變圍巖應力狀態,圍巖在剪應力作用下易發生非協調變形。最大主應力與最小主應力之差與垂直應力的比值(側壓比k3)決定了巖體中剪應力大小[7],側壓比k3埋深變化的散點圖如圖6所示。分析可知,側壓比k3集中在0.69～0.87,側壓比k3離散性較小。

圖6 側壓比k3隨埋深的散點圖

2.6 最大剪應力隨埋深的分布規律

最大剪應力為最大主應力與最小主應力之差的1/2,潞寧煤礦深部巷道最大剪應力隨埋深變化規律如圖7所示。分析可知,最大剪應力最大為6.71 MPa,最小為4.62 MPa,埋深400～600 m范圍最大剪應力離散性較小,埋深繼續增大最大剪應力且增大明顯,巷道圍巖更易發生剪應力破壞。

圖7 最大剪應力隨埋深變化規律

3 結 語

1) 潞寧煤礦深部巷道原巖應力場總體上水平應力占優勢,為典型的構造應力場。最大主應力始終為最大水平主應力,垂直主應力大于最小水平主應力。

2) 潞寧煤礦深部巷道多處于高原巖應力值區域,側壓比離散性較小。最大剪應力在埋深為400～600 m范圍時離散性較小,埋深繼續增大,最大剪應力增大明顯,說明深部巷道易發生剪應力破壞。