山西某礦巷道圍巖地應(yīng)力測(cè)試研究

馬雪鵬

（晉城集團(tuán)寺河煤礦 生產(chǎn)技術(shù)管理部，山西 晉城048204）

1 前言

某礦井田面積約230 km2，南北走向約12 km，東西傾斜約23 km，全井田可采煤層分為3#、9#、15#三層煤層，總厚度10.32 m。伴隨煤礦開采的深度、廣度向更大范圍發(fā)展，礦山巖體的應(yīng)力環(huán)和破壞特性都有了較大變化，因此，對(duì)圍巖體進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試研究，意義重大。

為給煤礦生產(chǎn)提供力學(xué)保障，并為即將開拓的15#煤巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)可靠的地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有必要對(duì)礦區(qū)15#煤進(jìn)行系統(tǒng)的地應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，以便補(bǔ)充礦井地質(zhì)力學(xué)數(shù)據(jù)資料，同時(shí)為盤區(qū)工作面的支護(hù)設(shè)計(jì)、巷道維護(hù)等提供基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)，進(jìn)而使礦井生產(chǎn)、建設(shè)更加合理和安全。

2 地應(yīng)力測(cè)量研究

2.1 地應(yīng)力測(cè)試原理

對(duì)于平面應(yīng)力測(cè)量，水壓致裂法有三個(gè)基本假設(shè)條件：(1) 巖石呈線彈性，同時(shí)各個(gè)方向同性；(2) 巖石的主應(yīng)力中，有一個(gè)主方向和鉆孔軸平行；(3) 巖體是完整的，具有非滲透性。所以，水壓致裂法的力學(xué)模型，可以看作是一個(gè)平面力學(xué)問題，類似于相互垂直的兩個(gè)水平應(yīng)力σ1、σ2，同時(shí)作用于一個(gè)帶圓孔的無限大的平面之上。依據(jù)彈性力學(xué)，通過計(jì)算，圓孔孔壁相互垂直的M、N 兩點(diǎn)的應(yīng)力(見圖1)為

如果σ1＞σ2，那么σM＜σN，故當(dāng)在圓孔內(nèi)液壓大于圍巖的承壓時(shí)，將在最小切向應(yīng)力上，產(chǎn)生張破裂。同時(shí)，沿垂直于最小壓應(yīng)力方向，破裂將繼續(xù)延伸。通常，我們將使孔壁產(chǎn)生破裂的外加液壓Pb稱為臨界破裂壓力[1]，孔壁破裂處的應(yīng)力集中加上巖石的抗拉強(qiáng)度T，等于臨界破裂壓力[2]，即為

圖1 水壓致裂-應(yīng)力示意圖

如果考慮巖石體的孔隙壓力P0，上式即為

式中 σh——最小水平主應(yīng)力

σH——最大水平主應(yīng)力

若孔壁在實(shí)際測(cè)量中破裂，如果繼續(xù)對(duì)封閉的孔段注液增壓，那么被封隔器封閉的孔段將出現(xiàn)裂隙并擴(kuò)展向縱深處； 如果立即封閉裂壓系統(tǒng)并停止注壓，那么裂隙將不會(huì)延伸，并在地應(yīng)力場(chǎng)的作用下趨向閉合。裂隙張開時(shí)的平衡壓力稱為瞬時(shí)關(guān)閉壓力PS，與垂直裂隙面的最小水平主應(yīng)力是相等的，即為

用式（3）減去（5），即可實(shí)時(shí)獲取抗張強(qiáng)度值T

進(jìn)而求得最大水平主應(yīng)力σH

垂直方向應(yīng)力依據(jù)上覆巖石的體量進(jìn)行計(jì)算,即

式中 PS——封閉壓力，MPa

Pr——重張壓力，MPa

P0——靜水壓力，MPa

Pb——破裂壓力，MPa

h——測(cè)點(diǎn)到讀數(shù)儀的垂直距離，m

γw——水的容重，kN/m3

H——埋深，m

γ——上覆巖層容重，kN/m3

圖2 水壓致裂法——地應(yīng)力測(cè)量過程示意圖

地應(yīng)力測(cè)驗(yàn)工作是基于巷道圍巖鉆孔開展的(如圖2所示)。首先，用注水管將兩個(gè)橡膠封隔器推送至指定地方，進(jìn)而高壓注水，使封隔器漲起來，然后將封隔器巖孔關(guān)閉。往巖孔注入高壓水，直至巖壁碎裂，最大水平應(yīng)力方向就是壓裂的方向。在壓裂后進(jìn)行印模步驟，當(dāng)注水膨脹壓力達(dá)到一定級(jí)別之后，將印痕留在膠筒上，即獲取到壓裂縫和原生裂縫位置，進(jìn)而獲得最大主應(yīng)力σH方位。

依據(jù)上述原理，通過實(shí)測(cè)及對(duì)應(yīng)業(yè)內(nèi)計(jì)算工作，即可獲得測(cè)站點(diǎn)的原巖應(yīng)力場(chǎng)中的最大水平應(yīng)力的方位、數(shù)值等參數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理與研究分析

從水壓過程中，通過各回次的壓力-時(shí)間曲線，求得瞬時(shí)關(guān)閉壓力PS、破裂壓力Pb以及重張壓力Pr，進(jìn)而計(jì)算出巖石抗張強(qiáng)度T、最大水平主應(yīng)力σH、最小水平主應(yīng)力σh等參數(shù)。圖3所示為一條標(biāo)準(zhǔn)壓裂曲線的各個(gè)參數(shù)值選取方法。

圖3 應(yīng)力測(cè)量—水壓致裂法—各壓力參數(shù)值的選擇

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為了對(duì)某礦圍巖地質(zhì)力學(xué)狀況做全面了解，課題組成員與礦方領(lǐng)導(dǎo)研究決定，在煤礦已掘巷道中的特征位置布設(shè)兩個(gè)測(cè)站。為保證測(cè)試結(jié)果代表性與準(zhǔn)確性，選站時(shí)應(yīng)避開較大地質(zhì)構(gòu)造帶；測(cè)站位置頂板應(yīng)較完整；巷道高、寬應(yīng)滿足打鉆要求;通風(fēng)、水、電系統(tǒng)要求完整。兩個(gè)測(cè)站布置四個(gè)測(cè)孔，鉆孔直徑為58mm。頂孔深度約為25 m，且垂直布設(shè)；幫孔的深度約為11m，與水平方向有2°～3°夾角，以方便排水，減少水的濕潤(rùn)效果對(duì)煤巖強(qiáng)度造成影響，進(jìn)而影響研究成果。

3.1 測(cè)站位置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和實(shí)際應(yīng)用需求，確定在已掘巷道中有選擇性地選取三個(gè)測(cè)站。第一測(cè)站位于南翼膠帶大巷4#鉆場(chǎng)內(nèi)，鉆場(chǎng)斷面呈矩形，錨網(wǎng)噴支護(hù)，實(shí)際巷高4.8m，鉆場(chǎng)斷面寬5.2m，測(cè)站處埋深362m。第二測(cè)站位于南翼膠帶大巷6#鉆場(chǎng)內(nèi)，錨網(wǎng)噴支護(hù)，鉆場(chǎng)斷面寬5.4m，實(shí)際巷高5.1m，測(cè)站處埋深364m，鉆場(chǎng)斷面呈矩形。第三測(cè)站位于南翼輔運(yùn)大巷1#鉆場(chǎng)內(nèi)，錨噴支護(hù)，實(shí)際巷高5.3 m，鉆場(chǎng)斷面寬5.5m，測(cè)站處埋深349m，鉆場(chǎng)斷面呈矩形。具體位置如圖4所示。

3.2 地應(yīng)力測(cè)試

對(duì)頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)研究后，就可以進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量段標(biāo)定工作，對(duì)各個(gè)測(cè)量段進(jìn)行依次壓裂，并對(duì)壓力和時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與獲取，得到水壓裂曲線圖。結(jié)合前述公式，可依次獲得：垂直應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力值等數(shù)據(jù)。通過引入指南針方向同基線角度值，壓裂裂縫與印?；€所夾角度值，經(jīng)過計(jì)算分析，獲取各應(yīng)力方向數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5所示。

圖4 地質(zhì)力學(xué)測(cè)試站點(diǎn)位置展示圖

圖5 第一測(cè)站 水壓致裂曲線

第一測(cè)站數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件綜合分析計(jì)算可以獲得：

重張壓力值Pr=6.50MPa

破裂壓力值Pb=11.15MPa

瞬時(shí)關(guān)閉壓力值PS=5.34MPa

測(cè)站處巷道高度4.8m，測(cè)試段距孔口15.3m，測(cè)站位置的巷道底板深度大約為363m，測(cè)試段埋深大概為343m。根據(jù)埋深，并綜合計(jì)算分析得出：

垂直方向主應(yīng)力值σv=8.55MPa

最大水平主應(yīng)力值σH=9.12MPa

最小水平主應(yīng)力值σh=5.14MPa

第二測(cè)站數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件綜合分析計(jì)算可以獲得：

破裂壓力值Pb=10.49MPa

瞬時(shí)關(guān)閉壓力值Ps=5.87MPa

重張壓力值Pr=7.66MPa

測(cè)站處巷道高度5.1m，測(cè)試段距孔口18.0 m，測(cè)站位置巷道底板深度為365m，測(cè)試段深度大概為342m，根據(jù)埋深以及前述公式，可以計(jì)算得出：

圖6 第一測(cè)站定向結(jié)果分析圖（最大水平方向主應(yīng)力為NW35.7°）

垂直方向主應(yīng)力值σv=8.52MPa

最大水平主應(yīng)力值σH=9.49MPa

最小水平主應(yīng)力值σh=5.64MPa

第三測(cè)站數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件綜合分析計(jì)算可以獲得：

瞬時(shí)關(guān)閉壓力值Ps=7.70MPa

破裂壓力值Pb=11.36MPa

重張壓力值Pr=9.12MPa

測(cè)站處巷道高度5.1m，測(cè)試段距孔口18.0m，測(cè)站位置巷道底板深度為365m，測(cè)試段深度大概為324m，根據(jù)埋深以及前述公式，可以計(jì)算得出：

圖7 第二測(cè)站水力壓裂曲線圖

圖8 第二測(cè)站定向結(jié)果示意圖（最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W23.9°）

垂直方向主應(yīng)力值σv=8.08MPa

最大水平主應(yīng)力值σH=13.47MPa

最小水平主應(yīng)力值σh=7.44MPa

4 結(jié)論

通過對(duì)三個(gè)測(cè)站點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)量值綜合分析，可以得到以下結(jié)果。

（1）某礦三測(cè)站區(qū)域的最大水平應(yīng)力值：最大為13.57 MPa，最小為9.22 MPa；最小水平主應(yīng)力最大值為7.54 MPa，最小值為5.24 MPa；垂直方向主應(yīng)力最大值為8.65 MPa，最小值為8.06 MPa。依據(jù)量級(jí)劃分原則，某礦所測(cè)區(qū)域地應(yīng)力為中低地應(yīng)力。

圖9 第三測(cè)站水力壓裂曲線

圖10 第三測(cè)站定向結(jié)果示意圖（最大水平主應(yīng)力方向：NW-34.6°）

（2）由于第一、第二測(cè)站所處巷道層位處于15#煤下方，測(cè)試時(shí)已經(jīng)對(duì)15#煤進(jìn)行了瓦斯預(yù)抽，通過測(cè)試鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)可知，由于施工瓦斯預(yù)抽孔和瓦斯預(yù)抽原因，15# 煤局部存在非常明顯的空洞區(qū)域，很大程度上對(duì)于上部應(yīng)力起到了釋放作用，致使第一和第二測(cè)站最大和最小水平主應(yīng)力值明顯低于第三測(cè)站。

（3）某礦所測(cè)測(cè)站最大水平主應(yīng)力方向分別為N35.7°W、N23.9°W 和N34.6°W。由于測(cè)試范圍相對(duì)較小，所測(cè)測(cè)站最大水平主應(yīng)力方向均為NW 方向，一致性相對(duì)較好。