深部高應(yīng)力礦井原巖應(yīng)力測(cè)試與生產(chǎn)影響分析

趙艷鵬 牛海連 邵珠娟

（1.臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電有限公司，山東 鄆城 2740201；2.濟(jì)寧市高級(jí)職業(yè)學(xué)校，山東 濟(jì)寧 272001；3.臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 臨沂 276017）

礦山井下巖層初始處于三維的穩(wěn)定受力狀態(tài)，開挖后，巖體一個(gè)方向的約束得到解除，巖體即處于非穩(wěn)定的受力狀態(tài)，巖層開始運(yùn)動(dòng)。而為滿足采煤工作面正常的作業(yè)條件，需要控制巷道圍巖的穩(wěn)定，需要進(jìn)行巷道支護(hù)。郭屯煤礦面臨深井高地壓的問題，且目前尚未進(jìn)行原巖應(yīng)力測(cè)試，對(duì)其原巖應(yīng)力分布規(guī)律尚不清楚。因此，本文通過應(yīng)力解除法在郭屯煤礦巷道中選取了4個(gè)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行原巖應(yīng)力測(cè)試，分析原巖應(yīng)力分布規(guī)律，以指導(dǎo)礦井更加安全高效的生產(chǎn)。

1 工程概況

郭屯井田位于山東省菏澤市鄆城縣城南約10km。井田為華北型石炭、二疊系煤田。地層從上而下依次為第四系、上第三系、二疊系上統(tǒng)上石盒子組、下統(tǒng)下石盒子組和山西組、石炭系上統(tǒng)太原組、中統(tǒng)本溪組、奧陶系中、下統(tǒng)，主要含煤地層為山西組和太原組。

郭屯礦井開采條件復(fù)雜，應(yīng)力較大，井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度中等，斷層發(fā)育。開采的3煤層屬穩(wěn)定-較穩(wěn)定類型，埋深為500～1250m，煤層及頂板具有弱沖擊傾向性。3煤層底板有一層太原組“三灰”含水層，水壓較大。為確保郭屯煤礦的安全開采，進(jìn)行原巖應(yīng)力測(cè)試。

2 原巖應(yīng)力測(cè)試

2.1 測(cè)點(diǎn)布置與安排

郭屯煤礦原巖應(yīng)力測(cè)試共選取4個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別編號(hào)為 GTSC-1、GTSC-2、GTSC-3、GTSC-4。測(cè)點(diǎn)均位于1301軌道順槽。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件確定各測(cè)點(diǎn)鉆孔的方位角、鉆孔仰角、測(cè)點(diǎn)絕對(duì)深度。

首先應(yīng)用Φ108mm的取芯鉆頭施工安裝應(yīng)力傳感器的導(dǎo)孔，導(dǎo)孔深度為8.11m；然后在導(dǎo)孔孔底使用變徑鉆頭施工變徑孔，變徑孔深度為4cm；而后應(yīng)用Φ38mm取芯鉆頭施工安裝小孔，孔深度30cm，GTSC-1、GTSC-2、GTSC-3、GTSC-4測(cè) 點(diǎn)取出的巖芯分別為中砂巖、細(xì)砂巖、泥巖、細(xì)砂巖；最后使用專用清洗頭清理安裝小孔。安裝孔完成后，根據(jù)安裝小孔巖芯完整情況，采用粘結(jié)的方法安裝應(yīng)力計(jì)。粘結(jié)劑固化24h后，對(duì)裝有應(yīng)力計(jì)的巖體進(jìn)行套芯應(yīng)力解除。應(yīng)力解除后傳感器如圖1所示。

2.2 測(cè)試結(jié)果

應(yīng)用專用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后表明，GTSC-1、GTSC-2、GTSC-3和GTSC-4的應(yīng)變片數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.952、0.975、0.963、0.956，可信度均較高。應(yīng)力計(jì)的12個(gè)應(yīng)變片隨解除距離的應(yīng)變變化曲線如圖2所示。

圖1 GTSC應(yīng)力解除后傳感器

由圖2（a）可知，從開始至距離為10cm的階段，曲線變化幅度較小，說明鉆頭與應(yīng)變片之間還有一定的距離；當(dāng)解除距離至10cm后，各應(yīng)變片的應(yīng)變量迅速增大；當(dāng)解除距離達(dá)22cm時(shí)，應(yīng)變量達(dá)到最大值；當(dāng)解除通過應(yīng)變片后，各應(yīng)變片的應(yīng)變曲線趨于平緩；當(dāng)解除至25cm后，應(yīng)變量基本不變；解除至30cm時(shí)，應(yīng)變解除結(jié)束。應(yīng)變解除曲線正常，可作為計(jì)算應(yīng)力的依據(jù)。

GTSC-2、GTSC-3和GTSC-4測(cè)點(diǎn)的規(guī)律與GTSC-1基本相似。GTSC-2、GTSC-3和GTSC-4測(cè)點(diǎn)的解除至應(yīng)變片位置分別達(dá)到21cm、22cm、21cm時(shí)，應(yīng)變量達(dá)到最大值；分別解除至24cm、25cm、25cm后，應(yīng)變量基本不變；解除至30cm時(shí)，應(yīng)變解除結(jié)束。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析得出最大水平應(yīng)力、最小水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力，如表1所示。

圖2 郭屯煤礦應(yīng)力計(jì)應(yīng)力解除曲線

表1 原巖應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

3 原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)分析

為便于分析，將上述測(cè)試結(jié)果匯總到立體網(wǎng)格上，如圖3所示。

根據(jù)圖2和圖3的分析，可以看出：最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，其方位角集中在119.03°～122.08°范圍內(nèi)，應(yīng)力值大小為31.00～56.56MPa，傾角為 -21.36°～55.28°；最 小 主 應(yīng) 力 的 方 位 角 集 中 在208.48°～215.94°，應(yīng)力值大小在 15.02～17.13MPa；中間主應(yīng)力的方位角集中在283.98°～0.36°，應(yīng)力值大小在 15.02～17.13MPa。

圖3 主應(yīng)力分布立體網(wǎng)格圖

3.1 原巖應(yīng)力對(duì)礦井生產(chǎn)影響

分析最大水平應(yīng)力與巷道成不同角度的情況下，巷道破壞的情況。與最大水平主應(yīng)力成不同角度掘進(jìn)的巷道將經(jīng)受不同程度的應(yīng)力集中的影響，相應(yīng)的巷道狀況也會(huì)有顯著的差別，如圖4所示。

圖4 不同掘進(jìn)方向巷道狀況的差異

巷道掘進(jìn)方向與最大水平主應(yīng)力成不同的角度則對(duì)巷道圍巖控制具有不同的影響。當(dāng)兩者角度平行時(shí)，水平應(yīng)力對(duì)其影響最小；當(dāng)兩者垂直時(shí)，水平應(yīng)力對(duì)其影響最大；當(dāng)兩者斜交時(shí)，巷道一側(cè)應(yīng)力集中而另一側(cè)應(yīng)力釋放，變形會(huì)出現(xiàn)非對(duì)稱性。

郭屯煤礦目前的巷道沿近南北向布置的1302、1304外、1308外工作面順槽掘進(jìn)方向與最大水平應(yīng)力的夾角一般為47°～63°左右，巷道沿不利的方向掘進(jìn)，水平應(yīng)力對(duì)巷道的布置有影響；而沿北東-西南方向布置的1301、1303、1304里、1305、1306、1308里工作面順槽巷道掘進(jìn)方向與最大水平應(yīng)力的夾角一般為96°左右，掘進(jìn)方向與最大水平應(yīng)力接近垂直，巷道沿最不利的方向掘進(jìn)，水平應(yīng)力對(duì)巷道產(chǎn)生影響較大。所以，對(duì)于未開采區(qū)域布置巷道時(shí)，應(yīng)盡量使巷道掘進(jìn)方向與最大水平應(yīng)力的方向一致，以減少水平應(yīng)力對(duì)巷道的影響。

3.2 原巖應(yīng)力與底板突水分析

郭屯井田3煤層底板砂巖厚2.10～21.92m，以細(xì)砂巖為主，局部為中砂巖和粉砂巖，裂隙局部發(fā)育，充填有方解石脈。在采動(dòng)壓力和奧灰含水層水壓的共同作用下，會(huì)造成底板的破壞。當(dāng)?shù)装迤茐纳疃炔暗较虏亢畬忧页袎核畨毫Υ笥诨虻扔谒阶钚?yīng)力時(shí)，底板巖體的滲透性增大。當(dāng)滲透性增加到一定程度時(shí)產(chǎn)生滲流，隨著滲流量的增大，造成底板突水。

現(xiàn)階段郭屯煤礦工作面順槽的布置方向與最大水平應(yīng)力方向近乎垂直，最大水平應(yīng)力對(duì)巷道頂?shù)装宓钠茐某潭扔绊懽顕?yán)重，導(dǎo)致3煤底板與三灰間的有效隔水層厚度大大減少，增加了三灰水突水的可能性。因此，當(dāng)工作面順槽方向與最大水平應(yīng)力接近垂直時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)底板破壞程度的觀測(cè)和監(jiān)測(cè)，防止底板突水事故的發(fā)生。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度講，郭屯煤礦下組煤受底板奧灰水威脅嚴(yán)重，研究煤層采動(dòng)后頂?shù)装鍛?yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，會(huì)產(chǎn)生一定范圍的變形與破壞。不同煤層采動(dòng)過程中的底板破壞具有一定的規(guī)律，對(duì)于受底板水害威脅的下組煤，正確確定底板采動(dòng)破壞深度是精確預(yù)測(cè)底板阻水能力的首要條件。

4 結(jié)論

（1）原巖應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，最大水平應(yīng)力的方向?yàn)?19.03°～122.01°。最大水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.52～2.68倍。最大水平應(yīng)力對(duì)井下巖層的變形破壞方式及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律會(huì)有明顯的影響。

（2）最大水平主應(yīng)力為最小水平主應(yīng)力的1.83～3.77倍，水平應(yīng)力對(duì)巷道掘進(jìn)的影響具有較為明顯的方向性。工作面巷道掘進(jìn)方向與最大水平應(yīng)力的方向夾角較大，已接近垂直，水平應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響較大。另外，最大水平應(yīng)力對(duì)巷道頂?shù)装宓钠茐某潭扔绊懽顕?yán)重，導(dǎo)致3煤底板與三灰間的有效隔水層厚度大大減少，增加了三灰水突水的可能性。