北嶺煤礦地應(yīng)力測(cè)量及應(yīng)力狀態(tài)分析

楊志強(qiáng)，湯志龍，張春霆

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.中煤平朔北嶺煤業(yè)，山西朔州 036000；3.山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司，山西河津 043300）

北嶺煤礦地應(yīng)力測(cè)量及應(yīng)力狀態(tài)分析

楊志強(qiáng)1，2，湯志龍3，張春霆1，2

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.中煤平朔北嶺煤業(yè)，山西朔州 036000；3.山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司，山西河津 043300）

以中煤平朔煤業(yè)公司405運(yùn)輸巷為工程背景，采用現(xiàn)場(chǎng)空芯包體測(cè)量方法對(duì)北嶺煤礦進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，對(duì)巷道圍巖進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)評(píng)估，為北嶺煤礦錨桿（索）支護(hù)技術(shù)提供重要準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

采礦工程；地應(yīng)力測(cè)量；空芯包體測(cè)量；地質(zhì)力學(xué)評(píng)估

北嶺煤礦主要可采煤層為4號(hào)、6號(hào)、9號(hào)和11號(hào)煤層，目前開(kāi)采4號(hào)煤層。4號(hào)煤層頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主；煤層平均厚度10.1 m，傾角3°～5°，煤層節(jié)理中等發(fā)育；底板為泥巖和粉砂巖，局部為砂質(zhì)泥巖。

為了提高礦井的現(xiàn)代化水平，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)，采用綜采放頂煤開(kāi)采。北嶺煤礦當(dāng)前的巷道斷面較小，已無(wú)法滿足運(yùn)輸、通風(fēng)等方面正常生產(chǎn)需要，為此必須擴(kuò)大巷道斷面，由于煤體本身的強(qiáng)度較低，節(jié)理裂隙發(fā)育，開(kāi)巷后圍巖煤體將變得破碎，整個(gè)巷道臨空面煤體的強(qiáng)度都會(huì)有不同程度的降低，巷道掘進(jìn)過(guò)程中及后期服務(wù)過(guò)程中易發(fā)生冒頂和片幫等事故。此外巷道所處的地層條件復(fù)雜多變，圍巖性質(zhì)千差萬(wàn)別，且多數(shù)巷道在服務(wù)年限內(nèi)還要經(jīng)常受采動(dòng)的強(qiáng)烈影響。本文采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法對(duì)北嶺煤礦進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，可為錨桿（索）支護(hù)技術(shù)提供重要準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 北嶺煤礦地應(yīng)力測(cè)量方法

地應(yīng)力是指巖體處于天然產(chǎn)狀條件下所具有的內(nèi)應(yīng)力。地應(yīng)力場(chǎng)的產(chǎn)生原因主要兩個(gè)：一個(gè)是由巖體自重作用產(chǎn)生垂直及水平應(yīng)力，另外一個(gè)是由于地殼巖體運(yùn)動(dòng)而引起的構(gòu)造應(yīng)力。

獲取原巖應(yīng)力狀態(tài)的定量數(shù)據(jù)資料的測(cè)量方法，最具代表性的是水壓致裂法和應(yīng)力解除法。空芯包體測(cè)量法是北嶺煤礦地應(yīng)力測(cè)量采用的主要方法。

1.1 測(cè)量?jī)x器

基本原理與應(yīng)力解除法相同，但是鉆孔的方式、傳感器的形式則不相同，測(cè)量工藝、技術(shù)有其特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變—應(yīng)力換算的具體公式形式及算法都具有其個(gè)性。

1）空芯包體應(yīng)力計(jì)的結(jié)構(gòu)：KX-81型空芯包體式三軸地應(yīng)力計(jì)是采用孔壁應(yīng)變解除法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量?？梢酝ㄟ^(guò)一次套芯在單孔中解除獲得三維應(yīng)力狀態(tài)。

KX-81型應(yīng)力計(jì)由12個(gè)電阻應(yīng)變片通過(guò)嵌入環(huán)氧樹(shù)脂筒中組成的。將3枚應(yīng)變片形成的應(yīng)變花沿環(huán)氧樹(shù)脂筒圓周相隔120°粘貼。

2）其他測(cè)量?jī)x器：水平定向儀所用型號(hào)為SDX。

礦用智能數(shù)字應(yīng)變儀型號(hào)為KBJ-16，見(jiàn)圖1。

率定機(jī)：主要由圍壓器和油泵組成，見(jiàn)圖2。可以將儀器讀數(shù)換算成折算位移，以便進(jìn)行主應(yīng)力計(jì)算。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，取出帶有空芯包體探頭的巖芯，將其放入圍壓率定機(jī)中，將油高壓打入圍壓器中，給巖芯施加圍壓直至達(dá)到其預(yù)定值，然后降壓；繪出率定曲線。用公式計(jì)算彈性模量E和泊松比μ。

式中：E為彈性模量，MPa；P0為圍壓值，MPa；d為巖芯小孔內(nèi)徑，mm；D為巖芯外徑，mm；εX為軸向應(yīng)變；εT為周向應(yīng)變。

率定機(jī)工作流程，見(jiàn)圖3，利用專(zhuān)業(yè)軟件處理現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可求得求出應(yīng)力狀態(tài)。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

根據(jù)礦井開(kāi)采布局、地質(zhì)構(gòu)造及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際等情況，在405運(yùn)輸巷選擇三個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)量鉆孔使用TXU-150型地質(zhì)鉆孔機(jī)，采用直徑為130 mm的套芯鉆頭、直徑為130 mm的取芯管、直徑為130 mm的錐形口鉆頭、直徑為36 mm的測(cè)量孔鉆頭等鉆具。為了用于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，所以在打鉆過(guò)程中，將鉆取的巖芯和套?。◣в袘?yīng)力計(jì)）的巖芯用塑料、膠帶包裝密封，以免發(fā)生折斷或磨損。具體工作進(jìn)展如下：

1號(hào)測(cè)孔：2011年6月14～17日，在405運(yùn)輸巷150 m處進(jìn)行1號(hào)測(cè)點(diǎn)的鉆進(jìn)、取芯和地應(yīng)力測(cè)量工作。于6月17日11時(shí)解除完畢，完成了1號(hào)測(cè)量鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作。

2號(hào)測(cè)孔：2011年6月18～20日，在405運(yùn)輸巷450 m處進(jìn)行2號(hào)測(cè)點(diǎn)的鉆進(jìn)、取芯和地應(yīng)力測(cè)量工作。于6月20日12時(shí)解除完畢，完成了2號(hào)測(cè)量鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作。

3號(hào)測(cè)孔：2011年7月2～5日，在405運(yùn)輸巷750 m處進(jìn)行2號(hào)測(cè)點(diǎn)的鉆進(jìn)、取芯和地應(yīng)力測(cè)量工作。于7月5日19時(shí)解除完畢，完成了3號(hào)測(cè)量鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作。

在地應(yīng)力計(jì)算和推導(dǎo)過(guò)程中，需要確定的是巖石彈性模量E和泊松比μ兩個(gè)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

3 地應(yīng)力計(jì)算

表2為地應(yīng)力測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)表，可根據(jù)測(cè)量的應(yīng)變值計(jì)算出三個(gè)方向的應(yīng)力值和方向，各應(yīng)力分量值如表3和表4所示。

測(cè)量結(jié)果的分析結(jié)論：3個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力值分別為：3.5 MPa、3.4 MPa、3.5 MPa。隨開(kāi)采深度的增加，地應(yīng)力會(huì)隨之增大，地應(yīng)力對(duì)采礦活動(dòng)的影響會(huì)更大；最大主應(yīng)力方向分別為北東96°、北東100°、北東105°，其中最大主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向；三個(gè)測(cè)點(diǎn)近垂直方向的主應(yīng)力值分別為2.3 MPa、2.4 MPa、2.5 MPa，基本等于自重應(yīng)力。4）引起井下巷道變形和采場(chǎng)破壞主要原因是剪應(yīng)力。

4 結(jié)論

1）空芯包體應(yīng)力測(cè)量的方法的基本原理與應(yīng)力解除法相同，但是鉆孔的方式、傳感器的形式則不同，測(cè)量工藝具有安裝操作簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，采用該方法對(duì)北嶺煤礦進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量是可行的。

2）北嶺煤礦的垂直應(yīng)力基本等于自重應(yīng)力，其地應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。

3）隨開(kāi)采深度的增加，地應(yīng)力會(huì)隨之增大，地應(yīng)力對(duì)采礦活動(dòng)的影響會(huì)更大。北嶺煤礦地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，說(shuō)明該礦區(qū)有比較穩(wěn)定的地應(yīng)力場(chǎng)。

Geostress Measurement and Stress-state Analysis in Beiling Mine

YANG Zhiqiang1,2,TANG Zhilong3,ZHANG Chunting1,2

(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Production Technology Division,Beiling Mine,ChinaCoal Pingshuo Group,Shuozhou 036000,China; 3.ChinaCoal Huajin Energy Co.,Ltd.,Hejin 043300,China)

Taking the No.405 transportation roadway as project background,the study measured geostress by empty inclusion method and evaluated surrounding rock in terms of geomechanics,which could provide accurate basic data for the bolt(cable)supporting technology in Beiling Mine.

mining engineering;geostress survey;empty inclusion measuring method;geomechanics evaluation

TD311

A

1672-5050（2015）02-0001-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.001

（編輯：薄小玲）

2014-11-13

楊志強(qiáng)(1981-)，男，山西應(yīng)縣人，在讀工程碩士研究生，工程師，從事煤礦開(kāi)采技術(shù)與管理工作。