某煤礦深部地應(yīng)力測(cè)量及巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

熊 鋒

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430050)

1 概述

近年來(lái)，我國(guó)煤礦開(kāi)采逐漸由淺部轉(zhuǎn)入深部。隨著開(kāi)采深度的增大，一系列工程災(zāi)害也隨之而來(lái)：如巷道變形加大、采場(chǎng)失穩(wěn)加劇、巖爆與沖擊地壓劇增等[1]。“三高與時(shí)間效應(yīng)”(地應(yīng)力高、溫度高、滲透壓高及較強(qiáng)的時(shí)間效應(yīng))使得深部巖體的組織結(jié)構(gòu)、基本行為特征和工程響應(yīng)均發(fā)生了根本性的變化，也是導(dǎo)致深部開(kāi)采中災(zāi)變事故發(fā)生的根本原因[2]。因此，了解深部巷道的地應(yīng)力特征及巷道圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律是實(shí)現(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定與施工安全控制的必要條件之一。

由于地應(yīng)力的存在，地殼受壓會(huì)產(chǎn)生緩慢的流變，但仍處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。然而，巷道開(kāi)挖意味著卸荷，破壞了地殼內(nèi)原有的地應(yīng)力平衡狀態(tài)，使得一定范圍內(nèi)巷道圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了改變。在這個(gè)影響范圍之內(nèi)，巷道垂直應(yīng)力增大，圍巖將產(chǎn)生回彈；超過(guò)這個(gè)范圍，巷道垂直應(yīng)力仍保持原有的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)彈性力學(xué)理論，對(duì)于圓形巷道，其影響范圍約為3倍洞徑。如果考慮到開(kāi)挖擾動(dòng)效應(yīng)、應(yīng)力集中效應(yīng)以及相鄰巷道的影響，應(yīng)力的調(diào)整范圍則可能進(jìn)一步擴(kuò)大，且調(diào)整范圍從理論上來(lái)說(shuō)是不確定的，需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的地應(yīng)力測(cè)試來(lái)確定。因此，了解巷道圍巖應(yīng)力的調(diào)整范圍及其分布規(guī)律至關(guān)重要，對(duì)支護(hù)方案的選擇及支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化具有重要的工程意義。

目前，地應(yīng)力測(cè)試的方法有很多種，根據(jù)測(cè)量原理的不同，可以分為直接法和間接法兩大類(lèi)[3-4]。直接測(cè)量方法中廣泛使用的是水壓致裂法[5-8]。蔡美峰等應(yīng)用水壓致裂法對(duì)玲瓏金礦深部地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，得到礦區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律；劉允芳采用水壓致裂法對(duì)單孔中的三維應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，得到了相關(guān)的應(yīng)力數(shù)據(jù)。水壓致裂法對(duì)環(huán)境的要求相對(duì)比較寬松，能測(cè)量地下較深處的絕對(duì)應(yīng)力狀態(tài)，且無(wú)需了解和測(cè)定巖石的彈性模量，具有測(cè)量空間范圍大、受局部影響小、成功率高等優(yōu)點(diǎn)[9]。間接測(cè)量中廣泛使用的是應(yīng)力解除法，其發(fā)展歷程較長(zhǎng)，技術(shù)比較成熟[10-11]，如劉允芳等采用應(yīng)力解除法對(duì)空心包體式鉆孔的地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，得到鉆孔的三向應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。

以下采用水壓致裂法，對(duì)某煤礦-790 m高程深部巷道進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，研究深部巷道的原巖應(yīng)力和巷道圍巖的地應(yīng)力分布規(guī)律。

2 工程概況

該煤礦可采煤為15層，煤層總厚度為31.7 m，分-530 m和-800 m兩個(gè)面水平開(kāi)采，現(xiàn)正向第二水平面開(kāi)拓延深伸。

為保證地應(yīng)力測(cè)試的順利進(jìn)行，選擇高程為-790 m的東翼矸石膠帶機(jī)大巷(實(shí)際高程為-773.8 m)作為試驗(yàn)巷道，測(cè)試地點(diǎn)距聯(lián)絡(luò)巷約60 m(如圖1所示)。在膠帶機(jī)大巷附近還有軌道大巷(實(shí)際高程為-792.8 m)，兩條巷道的水平距離約為75 m，垂直距離約為19 m(如圖2所示)。軌道大巷位于中細(xì)砂巖層中，膠帶機(jī)大巷位于泥巖、粉細(xì)砂巖層中，周?chē)鷽](méi)有大的斷裂構(gòu)造帶通過(guò)。

圖1 地應(yīng)力測(cè)試地點(diǎn)

圖2 相鄰巷道布置(單位：m)

3 地應(yīng)力測(cè)試

3.1 測(cè)試方案

圖3 地應(yīng)力測(cè)試孔及測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

采用水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試。水壓致裂法一般可分為平面應(yīng)力測(cè)量和三維應(yīng)力測(cè)量[9]，本項(xiàng)目采用平面應(yīng)力測(cè)量。在巷道的兩幫及底板布置了3個(gè)測(cè)試孔(如圖3所示)。其中，1號(hào)、3號(hào)測(cè)試孔為水平孔，孔徑110 mm，孔深25 m，均從孔深4.4 m處開(kāi)始測(cè)量，然后每隔3 m測(cè)量一次，每孔測(cè)量7次；2號(hào)為垂直孔，孔徑為110 m m，孔深25 m，采用取芯鉆進(jìn)行鉆孔，并對(duì)取得的巖芯進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，以查明巷道圍巖的基本力學(xué)性質(zhì)。

3.2 測(cè)試結(jié)果

水壓致裂法測(cè)試過(guò)程中，部分測(cè)量壓力曲線如圖4所示，分別顯示了1號(hào)孔7.4 m處、2號(hào)孔22 m處及3號(hào)孔7.4 m處壓力曲線隨時(shí)間的變化情況。根據(jù)試驗(yàn)曲線，可以得到破裂壓力、重張壓力及關(guān)閉壓力，進(jìn)而根據(jù)水壓致裂法平面應(yīng)力測(cè)量的基本假定及計(jì)算公式[7]，可以得到最小水平主應(yīng)力及最大水平主應(yīng)力(如表1、表2及表3所示)。

其中，D表示孔深，Pb表示破裂壓力，Pr表示重張壓力，Ps表示關(guān)閉壓力，σH表示最大水平主應(yīng)力，σh表示最小水平主應(yīng)力，σV表示自重應(yīng)力。

圖4 1號(hào)孔、2號(hào)孔、3號(hào)孔地應(yīng)力測(cè)量壓力曲線

表1 1號(hào)孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

表2 2號(hào)孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

表3 3號(hào)孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

4 地應(yīng)力特征及相鄰巷道影響

4.1 地應(yīng)力特征

地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明，煤礦-790 m高程地應(yīng)力具有如下特征。

(1) 地應(yīng)力大

由表2可以看出：2號(hào)孔最大水平主應(yīng)力為28.33 MPa，最小水平主應(yīng)力為16.33 MPa。在鉆孔過(guò)程中，對(duì)3個(gè)孔的巖芯進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試(如表4所示)，其平均抗壓強(qiáng)度為164.8 MPa,Rc/σmax=164.8/28.33=5.8,根據(jù)規(guī)范[12]可知，Rσmax在4～7范圍內(nèi)為高應(yīng)力。故煤礦-790 m高程處為高應(yīng)力區(qū)。

表4 巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度

(2)原巖應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主

3號(hào)孔受鄰近巷道(-790 m底板軌道大巷)影響較大，故只考慮1號(hào)、2號(hào)測(cè)試孔的原巖應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。由表1及表2可知：1號(hào)孔22.4 m處側(cè)壓力系數(shù)(λ=σH/σV)為1.69，2號(hào)孔的側(cè)壓力系數(shù)(λ=σH/σV)為1.63，兩處的測(cè)試結(jié)果較為接近，表明煤礦-790 m高程原巖應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。

(3)巷道兩幫的應(yīng)力分布具有規(guī)律性

由圖5及圖6可知，在巷道開(kāi)挖之前，地殼處于地應(yīng)力平衡狀態(tài)，其內(nèi)部的初始應(yīng)力狀態(tài)如圖5中的應(yīng)力圓①。在開(kāi)挖過(guò)程中，巷道圍巖受到擾動(dòng)，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生了一定的損傷，降低了圍巖的承載能力[13-15]。

開(kāi)挖之后到支護(hù)之前，此時(shí)巷道洞壁處的水平應(yīng)力為0，垂直應(yīng)力加大，巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)如圖5中的應(yīng)力圓②，垂直應(yīng)力沿洞深的分布情況如圖6中的分布曲線①。然而，這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，隨著應(yīng)力的調(diào)整和傳遞，圍巖產(chǎn)生回彈，巷道兩幫將產(chǎn)生向內(nèi)的收縮變形，靠近洞壁處的垂直應(yīng)力也會(huì)迅速下降，此時(shí)洞壁處的應(yīng)力狀態(tài)迅速由圖5中的應(yīng)力圓②下降為應(yīng)力圓③，垂直應(yīng)力沿洞深的分布也由圖6中的分布曲線①轉(zhuǎn)變?yōu)榉植记€②。實(shí)際上，在上述的應(yīng)力調(diào)整過(guò)程中，巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì)也在不斷變化，一方面由于開(kāi)挖擾動(dòng)的影響，巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)了一定程度的下降，導(dǎo)致其承載能力降低；另一方面，由于應(yīng)力集中，靠近洞壁處的圍巖進(jìn)入塑性區(qū)，也在一定程度上降低了圍巖的承載力。此外，如果考慮流變因素，即隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，圍巖的強(qiáng)度不斷降低，最終達(dá)到穩(wěn)定強(qiáng)度，洞壁的應(yīng)力狀態(tài)也由圖5中的應(yīng)力圓③下降為應(yīng)力圓④，垂直應(yīng)力沿洞深的分布也由圖6中的分布曲線②轉(zhuǎn)變?yōu)榉植记€④。開(kāi)挖擾動(dòng)、應(yīng)力集中及長(zhǎng)期強(qiáng)度的影響都會(huì)導(dǎo)致圍巖的應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)移，但出現(xiàn)的階段不同。

圖5 開(kāi)挖前后幫部圍巖的應(yīng)力圓

圖6 開(kāi)挖后幫部圍巖的應(yīng)力狀態(tài)變化

將表1及表3中最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果表示成隨深度分布的形式(如圖7所示)。由圖7可知，1號(hào)孔的最大、最小主應(yīng)力從4.4 m處開(kāi)始增加，在10.4 m處達(dá)到最大值，然后逐漸減小并趨于穩(wěn)定；3號(hào)孔的最大、最小主應(yīng)力從4.4 m處開(kāi)始增加，在13.4 m處達(dá)到最大值，然后逐漸減小。受測(cè)試深度的限制，并沒(méi)有得到最終的穩(wěn)定值。比較圖7和圖6中曲線④的分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，它們的規(guī)律基本一致，說(shuō)明理論分析與測(cè)試結(jié)果相符。另外，根據(jù)圖5的應(yīng)力圓可知，巷道圍巖的承載能力在靠近洞壁處最差，距離洞壁越遠(yuǎn)，承載能力越強(qiáng)，最終趨于一個(gè)定值。

圖7 巷道圍巖兩幫主應(yīng)力分布

4.2 鄰近巷道影響

若不考慮左側(cè)鄰近巷道(底板軌道大巷)對(duì)膠帶機(jī)大巷的影響，巷道兩幫測(cè)試孔1號(hào)和3號(hào)的應(yīng)力分布在測(cè)試誤差的范圍內(nèi)應(yīng)該比較接近。然而，比較圖7中巷道左右兩幫的應(yīng)力分布可以發(fā)現(xiàn)，受鄰近巷道的影響，一側(cè)的巷道幫部應(yīng)力分布具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)。

(1)應(yīng)力調(diào)整范圍擴(kuò)大

未受鄰近巷道影響的1號(hào)測(cè)試孔在約2倍洞徑處主應(yīng)力達(dá)到最大值，而受到鄰近巷道影響的3號(hào)測(cè)試孔則在約2.5倍洞徑處主應(yīng)力達(dá)到最大值，說(shuō)明受到鄰近巷道的影響，最大主應(yīng)力向更深處轉(zhuǎn)移(應(yīng)力的調(diào)整范圍擴(kuò)大了)。另外，1號(hào)測(cè)試孔的主應(yīng)力達(dá)到最大值后很快趨于一個(gè)穩(wěn)定值，而3號(hào)測(cè)試孔的應(yīng)力在同樣的深度卻依然未達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，這也說(shuō)明3號(hào)測(cè)試孔應(yīng)力調(diào)整的范圍超過(guò)了1號(hào)測(cè)試孔。

(2)主應(yīng)力值降低

對(duì)于相同的孔深，3號(hào)測(cè)試孔的主應(yīng)力均小于1號(hào)測(cè)試孔，說(shuō)明隨著應(yīng)力調(diào)整范圍的擴(kuò)大，對(duì)應(yīng)主應(yīng)力值降低。

(3)構(gòu)造應(yīng)力和應(yīng)力集中程度降低

由表1和表3可知，3號(hào)測(cè)試孔中的側(cè)壓力系數(shù)要小于1號(hào)測(cè)試孔，說(shuō)明受鄰近巷道的影響，巷道的構(gòu)造應(yīng)力下降，應(yīng)力集中程度降低。

5 結(jié)論

(1)煤礦-790 m高程處的東翼矸石膠帶機(jī)大巷屬于高應(yīng)力區(qū)，最大主應(yīng)力達(dá)到28.33 MPa。側(cè)壓力系數(shù)在1.63～1.87之間，表明原巖應(yīng)力場(chǎng)以構(gòu)造應(yīng)力為主。

(2)受到開(kāi)挖擾動(dòng)、應(yīng)力集中及長(zhǎng)期強(qiáng)度的影響，巷道兩幫應(yīng)力不斷調(diào)整，最終巷道兩幫的應(yīng)力沿洞深的分布表現(xiàn)為先逐漸增大，然后緩慢減小，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

(3)受相鄰巷道的影響，巷道幫部的應(yīng)力變化表現(xiàn)為：應(yīng)力調(diào)整范圍擴(kuò)大、主應(yīng)力值減小、側(cè)壓力系數(shù)減小及應(yīng)力集中程度降低。