余吾煤矿地应力测量及分布规律研究.pdf

余吾煤矿地应力测量及分布规律研究庄小威，吴志伟，卢盛亮，徐宁！（1潞安化工集团余吾煤业公司，山西长治（2辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新12 3 0 0 0)046000;摘要：了解余吾煤矿的地应力分布情况，可为巷道的开挖和支护设计提供科学依据。采用空心包体应力解除法，在余吾煤矿完成了8 个测点原岩地应力的测量。结果表明：余吾煤矿50%的测点区域处于走滑断层应力状态,以水平应力为主导;最大主应力的平均走向为N88.7E,最大主应力的优势方向为接近于EW向;矿区内各测点的应力值差别较大，但地应力的大小整体上属于中等地应力;8 个测点的最大水平主应力与垂直主应力的比值为0.47 1.9 7,侧压比值区间为0.44 0.9 1。关键词：余吾煤矿；空心包体应力解除法；地应力测量；应力分布规律中图分类号：F406.3;TD311文献标识码：B文章编号：10 0 8-0 155(2 0 2 3)10-0 0 0 4-0 3地应力是引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力。对于矿山设计而言，只有准确掌握施工区域具体的地应力分布情况，才能合理确定矿山的总体布局，选择恰当的作业方式，在保证安全生产的前提下，不仅能够提升效率、增加产量，还能提高矿山开采的经济效益-。地应力测量技术发展到今天，已产生几十种对不同地质环境的地应力测量方式4。现阶段，水压致裂法和应力解除法的应用相对比较广泛。其中，应力解除法的发展时间最久，在技术上也发展得比较成熟，通过地应力空心包体内置的12 个应变片可以准确测量围岩内部原岩应力，具有测量效果好、精确度高、工程量小等优点5。余吾煤矿为路安矿业集团主力生产矿井，矿井核定年产量7.5Mt/a。目前，矿井的最大开采深度在600m左右。掌握矿井地应力、方向及其分布规律，要想准确地获得矿井内某一点的地应力分布状态，最好的也是最直接有效的办法就是开展地应力的实地测量。为此，开展了余吾煤矿地应力的实测工作，获得了余吾煤矿地应力场的分布规律。1地应力现场测试1.1测试仪器本次地应力的测量元件为KX-81型空心包体应变传感器，该传感器在应力解除过程中，可进行全过程的跟踪监测，可以在单孔中取得测点的三维应力状态。其结构为12 个电阻应变片嵌人环氧树脂筒，每四个应变片组成一枚应变花，共三枚应变花沿环氧树脂筒圆周黏贴，角度间隔为12 0。环氧树脂圆筒有一个用来装黏结剂的内腔,和一个环氧树脂柱4塞，如图1所示。B(a)(b)（a)截面投影图；(b)A、B、C 三组应变花的黏贴关系图；(c)钻孔中的坐标关系图图1应变花位置分布图1.2测试布置地应力测点的选取主要基于以下几个原则：尽量选择布置在完整的岩体内，同时要远离断层，避开褶皱区，远离较大的开挖现场；尽量避开因巷道开挖和采场作业形成的应力集中区域，要保证地应力的测点布置在原岩应力区。尽量使钻孔位于同一岩层内，若必须穿层，则要确保应力解除孔位于稳定岩层中；应选择断面大小适合，水、电供应方便的巷道作为测点。根据以上的测点布置原则,在余吾煤矿选择8 个测点，开展了地应力测量工作。1.3测试结果在测点进行应力解除时，不但要确保钻机进尺的速度保持匀速且缓慢，同时也要保证充足的冲洗钻孔水量。通过观察解除曲线的特征，可以判断应变片的工作状况。由图2 可知，测点1、2 的解除曲线包括三个阶段：无应力影响区、应力弹性释放区及应变稳定区。观察解除曲线可知,在解除的最开始部分，各组的应力变化趋近零。当解除接近应变片时，解除曲线开始出现明显的变化。当进尺达到一定深度时，解除曲线的变化趋于稳定。8 个测点的解除曲线都有类似规律。C(c)50004500400035003000文2 50 020001500100050004400390034002900240019001400900400-100图2 测点1、2 钻孔应力解除过程中应变一位移曲线图余吾煤矿地应力现场测试工作时长跨度约8 个月，总计成功完成了8 个测点地应力的实地测量。8个测点的地应力测量结果见表1。表1各测点地应力测量结果测点主应力方位角倾角编号测点位置主应力类别/MPa最大主应力12.91N2106胶带顺槽最小主应力5.8最大主应力15.72N2205胶带顺槽最小主应力7.2最大主应力18.9N11003回风顺槽最小主应力7.6最大主应力17.3北三胶带4中间主应力13.7辅运2#贯最小主应力6.3最大主应力17.9S51015回风顺槽最小主应力7.2最大主应力17.7南六辅运6中间主应力14.3下山最小主应力6.7通道1通道2通道3通道4通道5通道6通道7通道：通道9通道10通道11解除深度cm通道12(a)N2106 胶带顺槽通道1通道2一通道3通道4一通道5一通道6-通道7一通道8一通道9*通道10通道11解除深度cm通道12(b)N2205胶带顺槽/）5.9-5.96中间主应力12.7中间主应力9.9中间主应力9.8中间主应力14.6续表测点主应力方位角倾角测点位置主应力类别编号/MPa最大主应力18.7N11057回风顺槽最小主应力8.6最大主应力14.28南五胶带中间主应力10.7辅运5#贯最小主应力4.9将现场地应力实测所获得的应变值以及通过岩芯标定试验所获得的泊松比等力学参数，输人数据分析处理软件，通过该软件的计算，获得余吾煤矿8 个测点的6 个地应力分量结果（见表2、表3），这为对该矿区地应力分布规律分析提供了数据支持。表2 各测点地应力分量测点地应力分量g;、T;/M P a编号Tx15.1926.2837.04420.98513.43616.59718.547.8816.18815.2表3各测点水平应力及垂直应力测点Hh埋深编号/MPa/MPa/MPa158111.9325869.0536729.15202.2-83.2101.118.4140.2-76.419.819.4118.3-20.250.9-78.330.9-8.3128.5-21.283.3-9.6157.9-77.5242.120.8112.7-26.7161.2-87.825.412.2102.8-11.440.8-75.01.7-9.6/）/)93.710.9中间主应力15.312.9713.249.7316.78-0.27-3.306.789.9319.321.9914.337.7618.51-2.43-6.174.657.8914.22-3.01-5.71-3.050.922.6216.217.26.2313.246.9616.780.547.8219.320.47453021.03559414.36666017.75766817.768.6616.18853228.91-2.512测试结果分析2.1矿区地应力场的类型根据不同的断层类型，地应力可被划分为走滑型应力类型、正断层应力类型和逆断层应力类型。由表3可知,测点4、6、7、8 应力大小关系为 0,0，占总测点数的50%，说明以上测点区域以水平应力为主导，属走滑型应力状态，有利于走滑断层的发育活动；测点1、2、3、5的应力大小关系为,0，占总测点数的50%，表明以上测点区域的垂直应力占据主导地位，属正断层型应力状态。5146.1-86.915.1-10118.3-74.226.85.8115.714.7TTz0.382.131.39-5.64-1.974.00-5.761.37-0.9618.219.2(o+oi.)/o/20v0.900.690.480.441.9414.336.8318.516.7314.2217.2-0.2820.21.470.800.780.571.250.861.100.821.970.912.2主应力方向分布及倾角在8 个测点中，有5个测点最大主应力方向位于SENW向，有3 个测点最大主应力方向位于NESW向，平均走向为N88.7E，这表明余吾煤矿最大主应力的优势方向接近EW向。在8 个测点的3 个主应力中，每个测点有2 个主应力方向接近水平方向，其与水平面的夹角平均为14.1,最大夹角为2 6.7，最小夹角为5.8，另有一个主应力的夹角接近垂直方向，其与垂直方向的主应力夹角平均值为10.9，最大为15.8，最小为2.2 2.3主应力随埋深变化规律将8 个测点的主应力大小与测点深度对应，在埋深53 0 6 8 0 m范围内,随着8 个测点深度的不断增加，8个测点的最大主应力分别为17.3 MPa、14.2 M P a、12.9MPa、15.7 M P a、17.9 M P a、17.7 M P a、18.7 M P a、18.9MPa,8个测点的最小主应力分别为6.3 MPa、4.9MPa、5.8 M P a、7.2 M P a、7.2 M P a、6.7 M P a、8.6 M P a、7.6MPa，可以看出,随着测点埋深的增加,最大主应力和最小主应力均有增大的趋势，而且最小主应力整体上明显小于最大主应力，表明余吾煤矿最大主应力对于煤矿而言，具有显著的影响。2.4主应力量级分析根据矿区地应力量级判定标准6 :0 10 MPa为低应力区;10 18 MPa为中等应力区；18 3 0 MPa为高应力区；大于3 0 MPa为超高应力区。统计余吾煤矿8 个测点测试结果，最大水平主应力的极值为2 8.9 1MPa。最大主应力小于10 MPa的有2 个测点，占测点总数的20%；大于10 MPa且小于18 MPa的测点有4个，占测点总数的50%。因此，余吾煤矿地应力整体上属于中等地应力地区，局部属于低地应力，个别地区属于高应力地区。2.5侧压系数与测压比分布特征由表3 可知，对于侧压系数，测点8 最大达到1.9 7，测点3 最小为0.47,其余均匀分布在0.50 1.50 之间。对于侧压比,8 个测点取值范围为0.44 0.9 1,测点8 最大，测点3 最小。Hoek-Brown对全世界范围内的地应力数据进行研究，绘制了测点侧压比值包络曲线，其比值在0.49 3.3 8 区间内，测点3 低于区间最小值，原因可能是巷道开挖对地应力有一定程度的影响。3结论余吾煤矿水平应力占有一定优势。但在矿区内部分测点处，垂直应力占据主导地位。由于埋深和地质构造条件的不同,矿区内各测点地应力的差别较大。余吾煤矿整体上属于中等地应力矿区，局部属于低地应力地区。最大主应力的优势方向为接近EW向，最大与最小主应力总体上有随测点深度的增加而增大的趋势。余吾煤矿最大与最小水平主应力的差值较大，说明余吾煤矿在水平面内存在一定剪应力。余吾煤矿断层类型包括正断层应力类型和走滑断层应力类型；在走滑型构造地应力场中，最优巷道的布置并不是沿着最大水平主应力的轴线方向，而是要与最大水平主应力形成一定角度，该角度的大小与3 个主应力的比值有关。参考文献：1侯奎奎，吴钦正，张凤鹏，等.不同地应力测试方法在三山岛金矿2 0 0 5m竖井建井区域的应用及其地应力分布规律研究J.岩土力学,2 0 2 2,43(0 4)：10 9 3-110 2.2胡斌，方庆红，李京，等.露采高边坡模型初始地应力场快速生成方法研究J.中国安全生产科学技术,2 0 2 1，17(05):12-18.3蔡美峰.深部开采围岩稳定性与岩层控制关键理论和技术J.采矿与岩层控制工程学报,2 0 2 0,2（0 3）：5-13.4王炯，姜健，张正俊，等.星村矿深部采区地应力分布特征及与地质构造关系研究J.采矿与安全工程学报，2019,36(06):1240-1246.5闫振雄，王培涛.空心包体应变计地应力计算方法的探讨J.岩石力学与工程学报，2 0 18,3 7（S1）：3 56 8-3 57 4.6陈世达，汤达祯，陶树.原位地应力约束下煤储层自封闭作用及其成藏效应J.煤炭学报,2 0 2 1,46（0 8）：2466-2478.作者简介：庄小威（19 8 7-），男，河南驻马店人，本科，工程师，从事煤矿生产管理工作。6