基于地應(yīng)力實(shí)測的某礦區(qū)應(yīng)力場分布特征

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(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院；2.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司)

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基于地應(yīng)力實(shí)測的某礦區(qū)應(yīng)力場分布特征

楊睿1馬驥2

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院；2.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司)

地應(yīng)力是影響礦井工程設(shè)計(jì)施工的重要因素，以某礦區(qū)為例，選取4個具有代表性的原巖應(yīng)力測點(diǎn)，采用應(yīng)力解除法進(jìn)行了三維地應(yīng)力測量，分析了該礦區(qū)的地應(yīng)力分布特征。結(jié)果表明：各測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力都大于垂直應(yīng)力，礦區(qū)最大主應(yīng)力方向基本為NW—SE向，與實(shí)測主要構(gòu)造的應(yīng)力場方向基本一致，即礦區(qū)主控地應(yīng)力為構(gòu)造應(yīng)力?，F(xiàn)場實(shí)測地應(yīng)力表明：目前主要巷道與最大主應(yīng)力方向的夾角較大，對巷道圍巖穩(wěn)定與維護(hù)產(chǎn)生不利影響，需根據(jù)實(shí)際采礦地質(zhì)條件、施工因素、最大主應(yīng)力方向，綜合確定巷道的最佳軸線方向及合理的斷面形狀。

地應(yīng)力三維地應(yīng)力測量應(yīng)力場分布特征構(gòu)造應(yīng)力

地應(yīng)力是導(dǎo)致土木建筑、水利水電、礦山、鐵路及其他巖土開挖工程變形、破壞的根本力源[1]，是確定巖體的力學(xué)性質(zhì)、巖土工程施工設(shè)計(jì)、決策及相應(yīng)的圍巖穩(wěn)定性控制所必備的基本資料[2-3]。大量研究表明，在影響巷道圍巖穩(wěn)定性、采礦工程的諸多因素中，地應(yīng)力是起主導(dǎo)作用的因素之一[4]。近年來，相當(dāng)一部分礦井陸續(xù)開展了地應(yīng)力的現(xiàn)場實(shí)測工作，為井巷設(shè)計(jì)、礦井施工、圍巖穩(wěn)定性維護(hù)提供了主要依據(jù)[5-8]。為有效掌握礦區(qū)地應(yīng)力場的分布規(guī)律，本研究以某礦區(qū)為例，選取該礦區(qū)不同區(qū)域的4個測點(diǎn)進(jìn)行地應(yīng)力測量，為該礦井巷工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1　礦區(qū)概況

某礦區(qū)所在的亭南井田的設(shè)計(jì)面積為33.82km2，主采煤層為8#煤，煤層平均厚8.29m，礦井地質(zhì)儲量約3.98億t，可采儲量約1.84億t(圖1)。該礦區(qū)處于路家—小靈臺背斜中段，向南進(jìn)入大佛寺向斜北翼，向北則跨入孟村向斜南翼。井田受路家—小靈臺背斜、孟村向斜、大佛寺向斜的影響，而受路家—小靈臺背斜的影響最大。該背斜穿過礦井南部，影響范圍包括中塬村南部直至大佛寺井田北部邊緣，其軸部地層基本水平，南翼傾角也較平緩，起伏度最大為70m；北翼傾角也較小，為4°～6°，起伏度為70～100m。該井田北部為孟村向斜南翼，地層呈N20°E走向，傾角近水平，為2°～3°，與路家—小靈臺背斜北翼相鄰，使得井田在總體上形成了較簡單的單斜構(gòu)造，大佛寺向斜北翼向北部凸出，伸入該井田東南角，地層產(chǎn)狀較平緩。

圖1　井田位置

2　地應(yīng)力測量

2.1測試儀器及測點(diǎn)布置

本研究采用空芯包體三軸應(yīng)變計(jì)(KX-81型)進(jìn)行地應(yīng)力測量，應(yīng)變計(jì)主體采用環(huán)氧樹脂加工而成的空芯圓筒，壁厚3mm，內(nèi)徑30mm，外徑36mm。在空心圓筒的中間部位(即在直徑35mm處)，將3組電阻應(yīng)變花沿同一圓周等間距(120°)嵌埋于圓筒內(nèi)部，每組應(yīng)變花包含4支應(yīng)變片，相互間的夾角為45°。本研究地應(yīng)力測量共選取了4個原巖應(yīng)力測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖2所示。

2.2測試過程

首先將空心包體應(yīng)變計(jì)安設(shè)于鉆孔中，待注入的環(huán)氧樹脂固化完全后(約20h后)，鉆孔內(nèi)壁巖體與應(yīng)變計(jì)相互膠結(jié)為一體；然后采用φ152mm薄壁取芯鉆對鉆孔進(jìn)行套芯解除，此時鉆孔內(nèi)壁周圍應(yīng)力被解除，巖芯發(fā)生彈性回復(fù)，鑲嵌于應(yīng)變計(jì)筒壁中的應(yīng)變片產(chǎn)生了彈性變形，解除進(jìn)尺為4cm/次，記錄相應(yīng)的讀數(shù)，直至應(yīng)力解除進(jìn)尺大于應(yīng)變計(jì)長度為止，得到了應(yīng)力解除曲線，其中1#測點(diǎn)應(yīng)力接觸曲線見圖3。

圖2　地應(yīng)力測點(diǎn)位置

圖3　1#測點(diǎn)地應(yīng)力解除曲線◆—應(yīng)變1；■—應(yīng)變2；▲—應(yīng)變3；×—應(yīng)變4； ★—應(yīng)變5；●—應(yīng)變6；+—應(yīng)變7；?—應(yīng)變8； ?—應(yīng)變9；◇—應(yīng)變10；□—應(yīng)變11；△—應(yīng)變12

2.3測量結(jié)果

礦區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果見表1，其中，1#測點(diǎn)的測試結(jié)果與實(shí)際不符，在分析時不予采用。

表1　礦區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果

3　礦區(qū)深部地應(yīng)力場分布規(guī)律

111工作面材料道聯(lián)絡(luò)巷最大主應(yīng)力σ1的方位角為144°、傾角為-26.4°、σ1為14.3MPa；西大巷201回風(fēng)巷，最大主應(yīng)力σ1的方位角為148°、傾角為80.5°、σ1為17MPa；西翼煤倉，最大主應(yīng)力σ1的方位角為175°、傾角為13.5°，σ1為13.9MPa。各測點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力(13.9～17MPa)都大于垂直應(yīng)力，水平最大主應(yīng)力與水平面的夾角為13°～27°。實(shí)測礦區(qū)各點(diǎn)的垂直應(yīng)力為10.4～12.7MPa，基本等于單位面積上覆巖層的重量。礦區(qū)最大主應(yīng)力方向基本為NW—SE向，最大主應(yīng)力與褶曲軸向夾角為60°～85°，與實(shí)測主要構(gòu)造的構(gòu)造應(yīng)力場方向基本一致。礦區(qū)東翼主要巷道與最大主應(yīng)力夾角為60°～75°，西翼為75°，垂直方向主應(yīng)力分量約為最大值的0.8倍，受構(gòu)造應(yīng)力影響較大。距1#、2#地應(yīng)力測點(diǎn)最近的地質(zhì)構(gòu)造為井田南部的路家—小靈臺背斜，距背斜軸約300m；距1#、2#地應(yīng)力測點(diǎn)最遠(yuǎn)的地質(zhì)構(gòu)造為南玉子向斜，距向斜軸約1 000m。由于該兩構(gòu)造均呈NEE向延伸，因此，該區(qū)域最大主應(yīng)力的方向與該構(gòu)造向(背)斜軸向近似垂直，符合原有構(gòu)造形成時的地應(yīng)力場特征，如圖4所示。

4　地應(yīng)力場與礦區(qū)巷道穩(wěn)定性分析

在礦井實(shí)際生產(chǎn)中，最大水平應(yīng)力與巷道夾角的不同造成的巷道破壞程度各不相同，與巷道夾角越大，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，巷道的變形越嚴(yán)重，巷道穩(wěn)定性越差；而與最大水平應(yīng)力夾角小的巷道則應(yīng)力集中輕微。地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果表明，主要的巷道與最大主應(yīng)力間的夾角較大，尤其是礦井西大巷、東翼軌道巷與最大主應(yīng)力間的夾角分別約為75°、70°，巷道方向的布置不利于巷道的穩(wěn)定與維護(hù)。圖5給出的西大巷方向的主要巷道的垂直方向上受到最大主應(yīng)力的分量為約12.95MPa，在東翼軌道巷方向受到最大主應(yīng)力的分量為約12.31MPa，在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時有必要考慮地應(yīng)力的影響因素。在現(xiàn)場可發(fā)現(xiàn)2條巷道均有不同程度的破壞，底臌特別嚴(yán)重且都表現(xiàn)出相同側(cè)的非對稱變形。

圖4　礦區(qū)地應(yīng)力分布方向

圖5　主要巷道垂直方向分力

5　結(jié)　語

以某礦區(qū)為例，采用應(yīng)力解除法對該礦區(qū)的4個測點(diǎn)進(jìn)行了地應(yīng)力實(shí)測分析，認(rèn)為該礦區(qū)的最大主應(yīng)力方向基本為NW—SE向，與實(shí)測主要構(gòu)造的構(gòu)造應(yīng)力場方向基本一致，即礦區(qū)主控地應(yīng)力為構(gòu)造應(yīng)力。礦區(qū)實(shí)測最大主應(yīng)力與目前的主要生產(chǎn)巷

道夾角較大，不利于巷道的穩(wěn)定與維護(hù)，有必要結(jié)合實(shí)際采礦地質(zhì)條件、施工因素、最大主應(yīng)力方向，綜合確定巷道的最佳軸線方向及合理的斷面形狀。

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2016-03-23)

楊睿(1995—)，男，266590 山東省青島市黃島區(qū)前灣港路579號。