深井地應(yīng)力測量與運用分析

趙亞軍 ，喬彥偉 ，侯曉志 ，王志波 ，溫賀興 ，谷明宇

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.內(nèi)蒙古煤炭安全開采與利用工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古包頭014010）

地應(yīng)力是存在于地層中的未受工程擾動的原巖應(yīng)力，它是引起采礦、隧道、軍事等各種地下開挖工程變形和破壞的根本作用力，其大小和方向極大影響工程圍巖的穩(wěn)定性。在煤礦開采中隨著采礦規(guī)模的不斷擴大和開挖深度不斷加大，地應(yīng)力的作用力更加突顯。確定圍巖煤巖體力學(xué)屬性，進行圍巖穩(wěn)定性分析，是實現(xiàn)開挖設(shè)計和決策科學(xué)合理的前提條件[1]。

1 井田地質(zhì)構(gòu)造概述

盛平煤業(yè)有限公司井田位于河?xùn)|煤田臺頭精查區(qū)的西南部，受區(qū)域構(gòu)造影響，井田地層總體為一單斜構(gòu)造，走向為近東西向，傾向為正北，傾角約8°～15°。井田內(nèi)2＃煤層賦存于山西組下部，煤層平均厚度3.23 m，平均埋深630 m，地表多呈“V”字形。在單斜構(gòu)造的基礎(chǔ)上井田西南部各發(fā)育一組軸向北西向背斜、向斜褶曲，同時在井田中部還發(fā)育著一些較小的正斷層，見圖1。

圖1 地質(zhì)構(gòu)造

2 地應(yīng)力測量

2.1 測量儀器

套孔應(yīng)力解除法是2003年國際巖石力學(xué)測試專業(yè)委員會(ISRM)推薦的一種地應(yīng)力測量法，也是當前國內(nèi)外最為常用的一種地應(yīng)力測量方法[2]。CSIRO HID最新數(shù)字式空心包體應(yīng)變計，是高集成化的地應(yīng)力測量儀器，是將應(yīng)變儀、應(yīng)力計、電子羅盤、壓力傳感器、溫度計等集成于一體的無電纜微型探頭，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，見圖2。此應(yīng)變計安裝簡便迅速且有較好的防水性能，成功率和可靠性高，測量精度比較高，且一個鉆孔就能確定出測點的三維應(yīng)力[3]。

圖2 CSIRO HID空芯包體應(yīng)力計內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 測量

在2＃煤層已掘進的2采區(qū)巷道及備用工作面巷道布置5個測點，根據(jù)測點布置原則將測點布置在距離工作面、掘進頭和交叉點較遠處的穩(wěn)定巖層中。根據(jù)安裝要求打設(shè)?130 mm，鉆孔深13 000mm；而后使用同心鉆打設(shè)?38 mm,鉆孔深400 mm，要求必須將孔內(nèi)清理干凈、孔底磨平。用水平定向儀將數(shù)字式空心包體應(yīng)變計送入鉆孔中，推動安裝桿，使黏結(jié)劑流入應(yīng)力計與小孔孔壁之間的縫隙，經(jīng)24 h固化后開始記錄數(shù)據(jù)，之后繼續(xù)用?130 mm鉆頭鉆進800 mm來解除套芯[3-5]，地應(yīng)力測量鉆孔結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 地應(yīng)力測量鉆孔結(jié)構(gòu)

3 測量結(jié)果及運用分析

3.1 測量結(jié)果

5個測點的測量結(jié)果，見表1。

表1 采區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

測點地應(yīng)力與埋深關(guān)系,見圖4。從圖中可知側(cè)壓比大致是隨著埋深加大而減小，符合一般地應(yīng)力場規(guī)律。側(cè)壓比全部都在1.0以上，分布在1.24 ～ 1.34之間，數(shù)值上最大相差0.1，數(shù)據(jù)比較集中，也就是說在-630水平側(cè)壓比在1.29附近。

從深度與地應(yīng)力關(guān)系，見圖5?？梢钥闯銎浯笾路植挤弦话阋?guī)律，埋深大，應(yīng)力值大。對此數(shù)據(jù)進一步分析，發(fā)現(xiàn)有-632測點測量值比-648測點的大，不符合一般規(guī)律，根據(jù)井上下對照圖發(fā)現(xiàn)：該測點位于背斜的端部，在水平構(gòu)造擠壓作用下，端部應(yīng)力一直在集聚，所以存在淺處深應(yīng)力現(xiàn)象。

圖4 埋深與側(cè)壓比關(guān)系

最大、最小主應(yīng)力方向都接近水平，主要方向為近N4°E向，中間主應(yīng)力是接近傾斜的，最大主應(yīng)力均大于垂直應(yīng)力。最大主應(yīng)力在18.9～22.8 MPa之間，根據(jù)應(yīng)力量級標準該礦判定為高應(yīng)力區(qū)。

圖5 埋深與地應(yīng)力關(guān)系

3.3 運用

根據(jù)對測量結(jié)果分析所得的結(jié)論進行以下運用：

1）最大主應(yīng)力幾乎與背斜軸垂直，故而在向、背斜軸部進行巷道布置時,盡量避免順地質(zhì)構(gòu)造的背(向)斜軸布置，總體巷道布置應(yīng)盡量避開最大主應(yīng)力的方向，服務(wù)時間長久的巷道布置盡量與其方向一致。在無法避開的情況下盡量布置在與其呈±30°以內(nèi)[6-7]。

2）側(cè)壓比系數(shù)比較大，目前已掘進巷道兩幫變形量較大得以驗證。巷道應(yīng)該注重巷道兩幫支護參數(shù)的加強，具體為將間排距從1.2 m×1.2 m減小到0.8 m × 0.8 m，錨桿長度由原來的1.8 m換為2.2 m。通過錨桿支護參數(shù)優(yōu)化與布置方向的改變，有效地控制巷道兩幫變形量，保證了巷道的穩(wěn)定性，為礦井正常安全生產(chǎn)提供保障。

4 結(jié)論

通過對測點的測量分析運用，主要得出以下幾點結(jié)論:

1)盛平煤業(yè)井田最大主應(yīng)力位于近水平方向近N4°E向且是以水平構(gòu)造應(yīng)力為主應(yīng)力。

2)地應(yīng)力測量結(jié)果為該礦巷道布置方向、支護參數(shù)選取等提供數(shù)據(jù)參考，可提高巷道穩(wěn)定性。

3)側(cè)壓比值較大時應(yīng)加強巷道兩幫的支護強度，盡量避免與地質(zhì)構(gòu)造背(向)斜軸方向布置。

[1]孟慶彬，喬衛(wèi)國，韓立軍，等.榆樹井煤礦地應(yīng)力測量及分布規(guī)律研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2011，31(5)：510-514.

[2]鄭書兵.寺河煤礦三維地應(yīng)力場分布和巷道布置優(yōu)化[J].煤炭學(xué)報，2010，35(5)：717-722.

[3]白金朋，彭華，馬秀敏，等.深孔空心包體法地應(yīng)力測量儀及其應(yīng)用實例[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32(5)：902-908.

[4]王連國，陸銀龍，楊新華，等.霍州礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律實測研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(s1):2768-2774.

[5]劉國磊，田昭軍，李恭建，等.北皂煤礦海域擴采區(qū)地應(yīng)力測量與分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(9):26-29.

[6]張文彬.長平煤礦地應(yīng)力分布規(guī)律研究及其應(yīng)用[J].煤礦開采，2010，15(3):96-99.

[7]黃龍現(xiàn)，楊天鴻，李現(xiàn)光，等.地應(yīng)力場方向?qū)ο锏绹鷰r穩(wěn)定性的影響[J].中國礦業(yè)，2012，21(4):105-107.