煤礦井下空心包體應(yīng)力解除法地應(yīng)力測量層位選擇方法

司林坡

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013)

煤礦井下煤巖體中含有的內(nèi)應(yīng)力被稱為原巖應(yīng)力或初始應(yīng)力，煤礦井下采掘工程變形和破壞的根本作用力也來源于此。了解和掌握煤巖體中的原巖應(yīng)力是進(jìn)行井下采掘部署，工程設(shè)計及煤巖體穩(wěn)定性分析的必要前提［1］。目前，原巖應(yīng)力測量方法以水壓致裂法與應(yīng)力解除法應(yīng)用最廣。為了能使水壓致裂法在煤礦井下得到應(yīng)用，康紅普［2］等針對煤礦井下特點，開發(fā)研制出煤礦井下小孔徑水壓致裂法地應(yīng)力測量裝置，在我國多個礦區(qū)得到推廣和應(yīng)用，獲得大量地應(yīng)力實測數(shù)據(jù)。但傳統(tǒng)的水壓致裂地應(yīng)力測試是在單孔中進(jìn)行平面應(yīng)力測量，其假設(shè)之一是一個主應(yīng)力方向與鉆孔軸線方向一致，而且這一方向的主應(yīng)力值需要估算?？招陌w應(yīng)力解除法克服了以上缺點，尤其在進(jìn)行三維應(yīng)力測量方面比水壓致裂法具有更為明顯的優(yōu)勢，其突出特點是利用單孔測量可以確定巖體的三維應(yīng)力狀態(tài)。

空心包體應(yīng)力解除法地應(yīng)力測量在煤礦井下應(yīng)用是在借鑒國內(nèi)外其他行業(yè)的基礎(chǔ)上展開的。蔡美峰［3］等針對該方法應(yīng)用過程中由于溫度差異而產(chǎn)生的誤差進(jìn)行詳細(xì)研究，開發(fā)出完全應(yīng)力補償技術(shù)，對空心包體應(yīng)變計和最初的圍壓率定公式進(jìn)行修正，大幅提高了地應(yīng)力測量精度。李遠(yuǎn)［4］等在蔡美峰教授研究的基礎(chǔ)上，對應(yīng)變計探頭及電路誤差進(jìn)行系統(tǒng)研究和分析，并對溫度補償和圍壓率定做進(jìn)一步修正。劉允芳［5］等利用圍壓加載試驗成果修正原始應(yīng)變實測值，對解除應(yīng)變實測值的修正提出具體方法，使測試結(jié)果更為精確。張文軍［6］等針對采用該方法進(jìn)行實測時軸向主應(yīng)力偏高的現(xiàn)象進(jìn)行研究和探討，得出由于孔壁存在殘余巖粉和潮濕而導(dǎo)致膠結(jié)劑與孔壁之間產(chǎn)生的微位移是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因，并提出了相關(guān)改進(jìn)建議。白世偉［7］同樣針對該現(xiàn)象進(jìn)行研究，提出針對不同巖性的巖石采用不同的膠結(jié)劑，避免出現(xiàn)邊界屈服現(xiàn)象。此外，還有眾多學(xué)者圍繞采用該方法進(jìn)行地應(yīng)力測試成功率和測量精度方面進(jìn)行過深入研究，取得大量有價值的研究成果。不可忽視的問題是，在煤礦井下采用該方法進(jìn)行地應(yīng)力測量，煤系地層的自身特征對測試成功率和測量精度的影響程度則更為突出。如何將空心包體應(yīng)變計安裝在適宜的巖層中并進(jìn)行解除和率定，使應(yīng)變計中各應(yīng)變片準(zhǔn)確響應(yīng)是保證測試數(shù)據(jù)質(zhì)量最為關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)。

本文針對煤礦井下測試條件，討論煤系地層自身特點對空心包體應(yīng)力解除法地應(yīng)力測量的影響，提出有效地解除巖層判斷和確定方法，并通過井下實測介紹該方法的應(yīng)用過程和效果。

1 煤礦井下圍巖條件對測試的影響

煤礦井下想要獲得高的測試成功率，需要向巷道頂板巖層中施工鉆孔，將空心包體應(yīng)變計安裝和解除。煤層頂板巖石類型以泥巖、粉砂巖、砂巖為多見，層理、節(jié)理和裂隙普遍存在，以上因素會對測量過程和結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

1.1 巖石強度的影響

在打鉆取芯過程中，影響巖芯采取質(zhì)量的天然因素包括巖石強度、礦物膠結(jié)特性等。如果巖石強度高、硬度大、膠結(jié)致密、均勻，鉆進(jìn)過程中抗沖刷、抗震動、抗拉性較強，易于得到完整性好的巖芯。如果巖體松散、強度低、膠結(jié)不良等，鉆進(jìn)過程中在靜壓水沖刷和組合應(yīng)力作用下則易斷裂、形成塊狀、餅狀及粒狀，難以保證巖心完整性，有時甚至取不到巖芯。所以在巖石強度較低的巖層中進(jìn)行應(yīng)力解除，巖芯極易斷裂，影響測試數(shù)據(jù)質(zhì)量，甚至?xí)p壞空心包體應(yīng)變計，導(dǎo)致測試失敗。

1.2 巖層結(jié)構(gòu)的影響

煤巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)包括節(jié)理、層理、裂隙等結(jié)構(gòu)面的空間分布特征及力學(xué)參數(shù)。結(jié)構(gòu)面對巖體的均質(zhì)性和各向同性的影響遠(yuǎn)大于巖體材料本身，當(dāng)空心包體應(yīng)變計探頭黏結(jié)在結(jié)構(gòu)面處時，其應(yīng)變片讀數(shù)的變化反映的是結(jié)構(gòu)面在受到擾動時的變化，而不能反映巖芯在應(yīng)力解除前后的真實變化狀況。除此之外，在鉆取巖芯的過程中，巖體中的層理、片理、軟硬互層及層面與鉆孔軸線交角等因素對巖芯取出率有很大的影響，巖芯容易在結(jié)構(gòu)面所在位置斷裂;在使用圍壓率定裝置對取出的巖芯和空心包體應(yīng)變計組合體進(jìn)行率定時極易造成巖芯斷裂。

圖1(a)為井下地應(yīng)力測量實測照片，該段巖芯整體為細(xì)砂巖，但層間存在薄的炭質(zhì)泥巖夾層，在解除過程中，巖芯在組合應(yīng)力作用下自夾層部位斷裂，導(dǎo)致應(yīng)變計各應(yīng)變片讀數(shù)產(chǎn)生異常，影響測試效果。圖1(b)顯示解除巖芯內(nèi)含隱性原生裂隙，解除過程取得完整的巖體與空心包體應(yīng)變計組合體;率定時，在圍壓反復(fù)加載、卸載作用下，巖芯內(nèi)含隱性裂隙張開導(dǎo)致巖芯斷裂，率定失敗。

圖1 巖芯斷裂

巖層中的結(jié)構(gòu)還可能導(dǎo)致鉆取的小孔表面不光滑，存在缺陷，在安裝空心包體應(yīng)變計時，膠體與孔壁黏結(jié)質(zhì)量差，存在空區(qū)，對巖體與應(yīng)變計變形的協(xié)調(diào)性產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致測量結(jié)果失真。

1.3 鉆孔與巖層夾角的影響

在煤礦井下采用空心包體應(yīng)力解除法進(jìn)行地應(yīng)力測量，勢必要穿過頂板多種巖層。施工過程中，實際鉆孔軌跡往往會偏離設(shè)計鉆孔軌跡，這種現(xiàn)象會導(dǎo)致大小孔不同心 (如圖2所示)、鉆具磨損和振動嚴(yán)重，嚴(yán)重影響巖芯取出效果和測試數(shù)據(jù)質(zhì)量。減小和避免鉆孔偏斜，除了增大鉆具剛度、選擇適宜的鉆具與孔壁間隙、采用合理的鉆進(jìn)工藝外，鉆孔軸線與巖層之間的夾角也是需要考慮的關(guān)鍵因素。相關(guān)研究表明［8］，在軟硬相間的巖體中鉆進(jìn)，當(dāng)鉆孔以銳角穿過軟硬巖層界面，從硬巖進(jìn)入軟巖時，鉆具軸線有偏離層面法線的趨勢，但由于穿過的巖層較硬，限制了鉆具偏斜，結(jié)果基本上保持原來的方向;當(dāng)鉆具由軟巖進(jìn)入硬巖時，鉆具也有沿層面法線偏斜趨勢，在這種情況下鉆孔遇層角 (鉆孔軌跡在遇層點的切線與其在層面上的投影所夾的銳角)存在臨界值，超過臨界值，鉆孔頂層進(jìn)，保持原有方向;低于臨界值時，鉆孔將沿硬巖面滑下。其臨界值大小決定于硬巖的硬度和鉆頭類型，通常為10～20°，一般情況下鉆具穿過巖層的遇層角不應(yīng)小于30°。

當(dāng)在巖巷中進(jìn)行測量時，施工小仰角的近水平孔以利于對解除巖層完整性的判斷和空心包體應(yīng)變計的安裝，采用地質(zhì)羅盤及重錘式定向儀來確定鉆孔傾角、方位角及應(yīng)變計特定應(yīng)變花的安裝角。在煤巷頂板巖層中進(jìn)行測量時，鑒于以上研究成果，結(jié)合現(xiàn)場施工條件及三維電子羅盤的適用要求，建議鉆孔軸線與巖層夾角為30～60°。

圖2 大、小鉆孔不同軸心

2 測試段選擇的建議方法

一般情況下，采用空心包體應(yīng)力解除法進(jìn)行地應(yīng)力測量，常用打鉆取巖芯的方法對巖層賦存狀況進(jìn)行預(yù)判，但在煤系地層中進(jìn)行取芯，得到的巖芯往往較短，甚至不規(guī)則。尤其因為施工原因很容易導(dǎo)致巖芯斷裂，不能夠準(zhǔn)確描述和確定頂板巖層圍巖賦存狀況。總體來說，這種方法費工、費時、效果不佳。建議在測點附近首先施工檢測鉆孔，采用孔壁觀察法和鉆孔觸探法圍巖強度測試相結(jié)合的方法在測量孔中對測點處頂板巖層狀況進(jìn)行準(zhǔn)確了解和掌握，綜合分析和判斷，結(jié)合巖層產(chǎn)狀最終確定測量巖層層位，設(shè)計測量鉆孔參數(shù)。

2.1 鉆孔孔壁觀察法巖體結(jié)構(gòu)觀察

孔壁觀察法是采用鉆孔窺視儀觀察與測量鉆孔孔壁上的結(jié)構(gòu)分布狀況。該方法快速、直觀、有效，在煤礦井下煤巖體巖性識別、巖層厚度確定、巖體結(jié)構(gòu)探測與完整性分析等方面發(fā)揮重要作用。本文采用天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部合作開發(fā)的全景鉆孔窺視儀［9］，如圖3所示。整套儀器主要有以下部件組成:連接桿、主機(jī)、探頭、深度計數(shù)器、導(dǎo)線和光學(xué)編碼器。測試過程能將深度與圖像一致結(jié)合，能達(dá)到圖像與結(jié)果顯示“所見即所得模式”。還可以顯示輸出平面展開圖和立體柱狀圖，靈活直觀。

圖3 全景鉆孔窺視儀

2.2 鉆孔觸探法圍巖強度測試

鉆孔觸探法圍巖強度測試是在打好的鉆孔中采用鉆孔觸探儀器進(jìn)行圍巖強度測定的方法［10］，如圖4所示。通常沿鉆孔軸向每隔100～300mm取一個測試剖面，每個測試剖面進(jìn)行3～4個觸點測試;相同層位觸點臨界壓力值通過對比和篩分，確定后的臨界壓裂平均值作為該剖面臨界壓力，經(jīng)過換算得到該剖面巖石抗壓強度。在一個鉆孔中完成全鉆孔測試后，可將每個剖面的巖石強度按照深度填寫至鉆孔柱狀圖上，可將鉆孔中各巖層強度值進(jìn)行劃分和分析，根據(jù)同層位不同剖面巖石強度值的波動情況可判斷該巖層的完整性及均質(zhì)程度。

圖4 鉆孔觸探法圍巖強度原位測試示意

2.3 檢測鉆孔與測量鉆孔

如圖5所示，在確定的測點附近沿垂直頂板方向首先施工檢測鉆孔，根據(jù)鉆孔觸探法圍巖強度原位測定裝置和全景鉆孔窺視儀適用鉆孔要求，檢測鉆孔直徑56mm，孔深一般為15～20m。檢測鉆孔施工完成后，在孔內(nèi)首先進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)觀測，對各巖層巖性、層厚、結(jié)構(gòu)面狀況進(jìn)行分析和評價，在特定測試深度范圍內(nèi)選擇巖層厚度大于0.5m、完整、致密的巖層作為備選測試段;利用圍巖強度原位測定裝置對備選段進(jìn)行強度測試，將各測試剖面測試結(jié)果描述在對應(yīng)的鉆孔位置，根據(jù)各測試剖面強度值分布情況，選擇強度值波動范圍小的巖層作為測試段。根據(jù)現(xiàn)場施工條件設(shè)計測量鉆孔角度，通過巖層產(chǎn)狀及測試段層位確定測量鉆孔孔深。

3 現(xiàn)場實測

以霍爾辛赫煤礦現(xiàn)場測試為例進(jìn)行介紹，測點位于西回風(fēng)大巷，巷道沿3號煤層頂板掘進(jìn)，該煤層為近水平。巷道斷面為矩形，錨網(wǎng)噴支護(hù)，測點處巷高3.5m，巷寬4.5m，埋深474m。

在測點所在巷道中部沿垂直頂板方向施工檢測鉆孔，鉆孔直徑56mm，孔深15m。對檢測鉆孔進(jìn)行全孔圍巖結(jié)構(gòu)觀測，觀測結(jié)果如圖6所示。

圖5 檢測鉆孔與測量鉆孔示意

圖6 檢測鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果

測點處頂板以上0～1.2m為泥巖，黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，層間離層明顯，裂隙發(fā)育，巖層不完整。1.2～4.3m為細(xì)砂巖，灰黑色，層間富含泥巖條帶，橫向裂隙發(fā)育。4.3～5.3m為泥巖，黑色，泥質(zhì)膠結(jié)。5.3～5.5m為小煤。5.5～8.0m為泥質(zhì)砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，橫向裂隙發(fā)育。8.0～12.5m為粉砂巖，黑色，砂質(zhì)膠結(jié)，巖層致密、完整。12.5～12.7m為破碎帶。12.7～15.0m為細(xì)砂巖，灰－灰黑色，砂質(zhì)膠結(jié)，下部存在橫向裂隙，上部完整。通過觀測結(jié)果可得，3號煤層頂板以上8.0～12.5m之間巖層完整性較好，綜合考慮測量鉆孔施工量和開挖導(dǎo)致的應(yīng)力重新分布影響范圍，初步確定在該巖層中進(jìn)行空心包體應(yīng)力解除法地應(yīng)力測量。檢測鉆孔圍巖強度測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 檢測鉆孔圍巖強度測試結(jié)果

通過測試結(jié)果可得，測點處3號煤層頂板泥巖強度為24.9MPa。泥巖以上細(xì)砂巖、泥巖強度分別為49.5MPa，35.5 MPa。由于層間裂隙普遍發(fā)育，導(dǎo)致各測試剖面強度值波動范圍較大，備選測試段粉砂巖巖層強度值為60.4MPa，8.7～12.1m各測試剖面強度值波動范圍非常小，通過各巖層圍巖強度測試結(jié)果可進(jìn)一步驗證各測試剖面強度值波動狀況與巖石的完整性與均質(zhì)性存在很大相關(guān)性。結(jié)合以上測試結(jié)果，將測點頂板以上8.7～12.1m粉砂巖層作為應(yīng)力解除測試段。

本次測試設(shè)計鉆孔傾角為45°，方位角163°，將頂板以上10.0～11.0m作為測量段進(jìn)行現(xiàn)場施工。結(jié)合2.3節(jié)所述，大孔鉆進(jìn)至14.1m位置時，磨平孔底，依次制備錐形導(dǎo)向孔和安裝小孔;安裝空心包體應(yīng)變計并進(jìn)行解除和率定，應(yīng)力解除后的巖芯與空心包體應(yīng)變計組合體如圖8所示。

圖8 霍爾辛赫煤礦應(yīng)力解除巖心

在實施應(yīng)力解除和圍壓率定的過程中分別進(jìn)行各應(yīng)變片變化過程監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。通過監(jiān)測曲線可得，解除開始階段，應(yīng)變曲線變化緩慢，當(dāng)靠近應(yīng)力計的中心位置時，曲線變化明顯，超過中心位置時，曲線趨于平穩(wěn);解除過程每個應(yīng)變片基本上是按合乎規(guī)律的方式進(jìn)行響應(yīng)，各應(yīng)變片的工作狀態(tài)正常。圍壓結(jié)果表明，率定過程線性和分段加壓應(yīng)變片響應(yīng)規(guī)律性明顯，由此表明解除巖芯完整性，空心包體應(yīng)變計的黏結(jié)效果較好，各應(yīng)變片的工況穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可信。通過相關(guān)計算得出本次測試結(jié)果如表1所示。

表1 霍爾辛赫煤礦西回風(fēng)大巷地應(yīng)力測試結(jié)果

圖9 空心包體應(yīng)力解除法地應(yīng)力測試曲線

4 結(jié)束語

(1)煤礦井下煤層頂板巖層強度、結(jié)構(gòu)面和傾角都會對測試過程和結(jié)果造成很大的影響。應(yīng)選擇將空心包體應(yīng)變計安裝在頂板巖層強度高，完整性好的巖層中進(jìn)行解除;在施工頂板測量鉆孔時，建議鉆孔軸線與巖層夾角在30～60°之間。

(2)建議在進(jìn)行應(yīng)力解除地應(yīng)力測量之前先施工檢測鉆孔，在檢測鉆孔中采用全景鉆孔窺視儀進(jìn)行頂板巖層圍巖結(jié)構(gòu)觀測，采用圍巖強度原位測定裝置進(jìn)行頂板巖層強度測試;綜合兩方面測試結(jié)果設(shè)計測量鉆孔參數(shù)。該方法能大幅提高測試成功率和測試數(shù)據(jù)質(zhì)量。

(3)基于煤系地層普遍較軟、層理和微裂隙發(fā)育、各相異性、非均質(zhì)性顯著等特點，在煤礦井下進(jìn)行地應(yīng)力測量，測試方法的選擇尤為重要。對測點附近采掘狀況及測點圍巖狀況充分了解和掌握是關(guān)系到測試成功與否和影響測試數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

［1］康紅普，等.煤巖體地質(zhì)力學(xué)原位測試及在圍巖控制中的應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2013.

［2］康紅普，林 健.我國巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試技術(shù)新進(jìn)展［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2001，29(7):27－30.

［3］蔡美峰.地應(yīng)力測量中溫度補償方法的研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1991，10(3):227－235.

［4］李 遠(yuǎn)，喬 蘭，孫歆碩.關(guān)于影響空心包體應(yīng)變計地應(yīng)力測量精度若干因素的討論［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(10):2140－2144.

［5］劉允芳，朱杰兵，劉元坤.空心包體式鉆孔三向應(yīng)變計地應(yīng)力測量的研究 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001，20(4):448－453.

［6］張文軍，南存全，董學(xué)農(nóng)，等.套心法地應(yīng)力測量中軸向主應(yīng)力偏高現(xiàn)象探討［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版)，1998，17(7):124－127.

［7］白世偉，丁 瑞.空心包體應(yīng)力測量的幾個問題 ［J］.巖土力學(xué)，1992，13(1):81－84.

［8］湯鳳林.巖心鉆探學(xué) ［M］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2009.

［9］司林坡.全景鉆孔窺視儀在水壓致裂法地應(yīng)力測試中的應(yīng)用［J］.煤礦開采，2010，16(2):99－101.

［10］司林坡.鉆孔觸探法圍巖強度原位測試 ［J］.煤礦開采，2006，11(4):10－12.