紅一煤礦地應力測量及其對巷道穩定性影響研究

＊楊勇 周德琛 程軍 張運中 胡光成

（寧夏紅墩子煤業有限公司 寧夏 750000）

地應力測量常用來解決采礦、地下建筑施工、工程地質、大地構造研究和其他領域的一系列巖石力學問題。地應力是地下采礦工程設計的基礎參數，地應力的大小和方向是地下開拓和支護方案設計的基本條件[1]。地應力測量方法主要有水壓致裂法、應力解除法、聲發射法、應力恢復法等[2]。劉虎軍、劉四軍、于雷等[3-5]均基與空芯包體測量方法分別對彬長礦區、木城澗礦區、紅廟礦區地應力分布情況進行了研究，為巷道差異性變形機制分析及巷道控制方式設計提供了有力支撐，長久以來，地應力測量工作是指導煤礦安全生產行之有效且愈發必不可少的技術方法。

1.礦區概況

紅墩子礦區紅一井田位于寧夏回族自治區東部，隸屬銀川市濱河新區管轄。井田西南距臨河鎮約10km，距銀川市約30km，東距內蒙古自治區鄂托克前旗約70km。總體構造為一走向北東向、西翼陡東翼緩的不對稱背斜，即紅墩子三道溝背斜，其西部發育有紅墩子向斜，再向西被黃河斷裂所斷。紅墩子三道溝背斜西翼受紅墩子斷層切割，紅墩子斷層落差30～180m，紅墩子三道溝背斜東翼上還發育有17條落差小于20m的斷層，其中7條斷層走向呈北西向，10條斷層走向呈北東向。井田內煤層大部賦存于紅墩子三道溝背斜東翼。根據區內的構造形態、斷層及褶曲的發育情況，確定井田構造復雜程度為簡單偏中等構造類型。1150401工作面是紅一煤礦，乃至整個紅墩子礦區首個開采工作面，1150401工作面共布置3條巷道，分別為1150401工作面回風順槽、運輸順槽及排水巷，其中排水巷是受二次采動影響巷道，在1150403工作面開采時，作為1150403工作面的回風順槽。1150401工作面及鄰近工作面巷道布置，如圖1所示。

圖1 1150401工作面巷道布置圖

2.地應力測量方案

(1)測量原理與工作流程

空芯包體測量屬孔壁應變解除法，我國常用的空芯包體應力計是由地質力學研究所制造的KX-81型空芯包體式三軸地應力計，可實現在單孔中通過一次套芯解除獲得三維應力狀態，具有使用方便、安裝操作簡單、成本低、效率高等優點。施工流程圖如圖2。

圖2 施工流程圖

(2)地應力監測方案

紅一煤礦地應力測量均使用礦方鉆機，型號為ZDY-3300S礦用深孔鉆機。紅一煤礦地應力測量鉆孔位置、鉆孔參數見表1、表2、圖3、圖4所示。

表1 鉆孔地點

表2 測量鉆孔參數

圖3 回風立井井底車場測點位置

圖4 第一中部車場順槽聯絡巷測點位置

3.地應力測量結果與分析

(1)地應力測量結果

在進行地應力分析時，在計算主應力時，需要被測鉆孔煤巖樣的彈性模量E和泊松比μ兩個參數，將測得的鉆孔方位、應變片安裝角、彈性模量、泊松比等數據輸入到地應力軟件計算。

在3個測點中，回風立井井底車場2個地應力測點埋深在449m，2個測點最大水平主應力值為18.23MPa，第一中部車場順槽聯絡巷1個地應力測點埋深在589m，最大水平主應力值為20.21MPa。隨著埋深增加，最大水平主應力值增加，最大水平主應力增加梯度為1.42MPa/100m，即埋深每增大100m，最大水平主應力值增加1.42MPa。為垂直應力場的1.38倍，紅一煤礦最大主應力矢量圖，如圖5所示，地應力實測值見表3所示。

表3 紅一煤礦實測地應力值

圖5 紅一煤礦最大主應力矢量圖

(2)地應力對巷道巷道穩定性的影響

地應力是引起采礦工程圍巖、支護變形和破壞、產生礦井動力現象的根本作用力，在諸多影響采礦工程穩定性的因素中，地應力是最重要和最根本的因素之一。在礦井設計、施工和生產的各個階段，根據工程所處的不同構造部位和地質條件，考慮原巖應力作用的特征，合理地確定巷道斷面的幾何形狀，合理地選擇巷道的軸線方向，對于保證巷道的相對穩定和生產的安全都有重要意義。

隨著巷道軸向與構造應力場方向夾角的增大，巷道圍巖受力狀況逐漸趨于惡化，基于此，在布置巷道時，使巷道軸線方向與最大水平主應力方向夾角愈小愈好。

澳大利亞學者蓋爾（Gale）提出最大水平應力理論認為巷道頂底板的穩定性主要受水平應力的影響，該理論認為：礦井巖層的水平應力一般是垂直應力1.3～2.0倍。而且水平應力具有方向性，最大水平應力一般為最小水平應力的1.5～2.5倍。且有三個特點：①與最大水平應力平行的巷道受水平應力影響最小，頂底板穩定性最好；②與最大水平應力呈銳角相交的巷道，其頂底板變形破壞偏向巷道某一幫；③與最大水于應力垂直的巷道，頂底板穩定性最差。

地應力測試結果表明：紅一煤礦地應力場屬于水平構造應力場，最大主應力的方向為270.61°，最大主應力值為20.21MPa，地應力方向與工作面巷道及上山夾角如圖6所示。

圖6 最大主應力與工作面及上山夾角

紅一煤礦采用立井、暗斜井開拓方式，三條暗斜井兼作首采區三條上山，初期不設大巷，首采區在三條暗斜井的南北兩翼布置工作面。按照首采區開采計劃，近年接續工作面為1150401工作面（2022.7—2023.4）和1150404工作面（2022.12—2023.9）。

三條暗斜井分別為暗主斜井、暗副斜井與暗回風斜井，其中暗主斜井與暗副斜井布置于距離5煤底板約12m的粉砂巖中，暗回風斜井沿5煤煤層布置。三條暗斜井空間上平行布置，與最大主應力夾角約為37°，最大主應力方向對1150404工作面回采巷道穩定性存在一定影響。

1150404工作面位于三條暗斜井的南翼，工作面運輸順槽在第二中部車場處開口，工作面在第一中部車場處開口。1150404工作面回采巷道與最大主應力夾角約為88°，最大主應力方向對1150404工作面回采巷道穩定性影響較大。

1150401工作面位于三條暗斜井的北翼，工作面運輸順槽在第一中部車場順槽聯絡巷處開口，工作面回風順槽在回風聯絡巷處開口。1150401工作面回采巷道與最大主應力夾角約為76°，最大主應力方向對1150401工作面回采巷道穩定性影響較大。

4.結論

（1）確定紅一煤礦地應力場屬于水平構造應力場，最大主應力的方向為270.61°，最大主應力值為20.21MPa。

（2）1150404工作面回采巷道與最大主應力夾角約為88°，最大主應力方向對1150404工作面回采巷道穩定性影響較大；1150401工作面回采巷道與最大主應力夾角約為76°，最大主應力方向對1150401工作面回采巷道穩定性影響較大。