陽煤一礦地應(yīng)力的測試與分析

張 浩

（陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司一礦，山西 陽泉045008）

煤礦巷道在掘進(jìn)的過程中，經(jīng)常出現(xiàn)冒頂、底鼓以及圍巖變形等問題，其主要原因是地應(yīng)力的作用。地下巖體的受力情況復(fù)雜，主要受到原巖應(yīng)力場、采動應(yīng)力場以及支護(hù)應(yīng)力場的共同作用，其中原巖應(yīng)力場的大小和方向?qū)ο锏赖牟贾煤途蜻M(jìn)有著重大的影響。隨著我國國家實力的增強，能源資源消耗速率加快，煤礦開采深度的增加，地應(yīng)力對巷道圍巖的作用效果更為顯著，往往是重大煤礦事故的主要原因，因此在陽煤一礦地區(qū)進(jìn)行地應(yīng)力測試，分析地應(yīng)力的大小和方向以及原巖應(yīng)力場的分布，對煤礦的安全施工有著重大意義。

由于巖體的自重和地殼的構(gòu)造運動而形成了地應(yīng)力。針對陽煤一礦的井巷工程，水平方向的地殼運動對原巖應(yīng)力分布有重大影響。由于巖石自重所引起的豎直主應(yīng)力相對比較簡單，容易被計算出來。但是構(gòu)造運動形成的構(gòu)造應(yīng)力場相對比較復(fù)雜，它不僅在空間上分布不均勻，而且會隨著時間不停的變化，是一種非穩(wěn)定應(yīng)力場。在井巷工程的設(shè)計階段，設(shè)計者可以不考慮時間的影響，將其看作是不變的應(yīng)力場進(jìn)行分析。綜上所述，由于地應(yīng)力形成的復(fù)雜原因和不確定性，目前為止，沒有一個準(zhǔn)確的計算公式來表達(dá)構(gòu)造應(yīng)力場，大部分都是通過現(xiàn)場測量來得到的較為準(zhǔn)確的應(yīng)力場數(shù)值，然后根據(jù)現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)，結(jié)合已有的地質(zhì)情況，找到一個相對可靠的地應(yīng)力分布規(guī)律，用來知道井巷工程的實施。

圖1 水壓致裂地應(yīng)力測量示意圖

1 測量原理與方法

平面應(yīng)力水壓致裂地應(yīng)力測試的原理與方法如圖1所示。該方法先在選定位置進(jìn)行鉆孔窺視，窺視結(jié)束后，在選定的測量深度，利用一對可以膨脹的橡膠隔離器，對一段原始鉆孔進(jìn)行封閉。然后通過油泵對鉆孔的這段封閉區(qū)域進(jìn)行加壓，隨著油壓的升高，圍巖會逐漸發(fā)生破壞，壓裂破壞的過程中，通過電腦記錄壓力和流量隨時間的變化，水壓致裂結(jié)束后，對該鉆孔再進(jìn)行一次窺視，就能夠大致得出最大水平主應(yīng)力的方向。豎直方向的主應(yīng)力通過巷道埋深以及巖體種類進(jìn)行計算。圖1是水壓致裂地應(yīng)力測試的示意圖。地點選在陽煤一礦某一條水平巷道中，在頂板的中部豎直打一個鉆孔，測量該區(qū)域的最大和最小水平主應(yīng)力，巷道埋深274 m，由此可以大致計算其垂直應(yīng)力。為了減少影響地應(yīng)力測試的其他因素，盡量選擇離工作面較遠(yuǎn)的地方，同時為了消除巷道周圍應(yīng)力重分布區(qū)域的影響，所選擇的測試段要距離孔口有一定的距離。鉆孔深度一般為8 m，每個鉆孔做3～4次測量，本次試驗由于現(xiàn)場設(shè)備問題，鉆孔深度在5 m左右，但是對最終的結(jié)果影響不大。后期通過篩選，選取完整合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行地應(yīng)力分析。

2 地質(zhì)情況簡介

地應(yīng)力測試選擇在三采區(qū)S8304巷道進(jìn)行，S8304工作面東部進(jìn)風(fēng)巷總體為單斜構(gòu)造，局部地段發(fā)育成為次一級的向、背斜構(gòu)造。煤層傾角大致在10°～140°之間，一般為60°左右。三采區(qū)位于陽煤一礦整個礦區(qū)的核心區(qū)域，該地區(qū)的地應(yīng)力能夠較好地代表整個礦區(qū)的地應(yīng)力情況。

3 地應(yīng)力測試結(jié)果

陽煤一礦三采區(qū)ZK1垂直向上打孔，孔口埋深為630 m，在鉆孔的選定區(qū)段內(nèi)進(jìn)行壓力測試。通過壓力時間曲線可以看出，在各個時間段內(nèi)破裂壓力、重張壓力以及閉合壓力具有一定的重復(fù)性，說明測試具有一定的可靠性。之后通過測量所得到的閉合壓力和重張壓力來計算所在區(qū)域的水平最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力值。

深度域內(nèi)進(jìn)行了3段壓裂測量。試驗各個段內(nèi)的破裂壓力、重張壓力及閉合壓力在各個段內(nèi)清晰可見，重復(fù)性較好。為此，由重張壓力和閉合壓力分別計算出各段處的最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力值。

圖2 是水壓致裂實驗當(dāng)中的壓力和時間記錄曲線。通過水壓致裂的理論計算公式結(jié)合實驗曲線獲得的參數(shù)，可以計算得出三個主要參數(shù)，即破裂壓力值、重張壓力值以及閉合壓力值。進(jìn)一步可以求得最大和最小水平主應(yīng)力值。然后通過上覆巖層的厚度以及陽煤一礦巖石的容重來計算各個區(qū)段的垂直應(yīng)力值。詳細(xì)的結(jié)果見表1。注：1.Pb為巖體的破裂壓力；Pr為鉆孔的重張壓力；Ps為鉆孔破裂面的閉合壓力；P0為巖體的孔隙壓力；T為巖石抗拉強度；Sh為水平最小主應(yīng)力；SH為水平最大主應(yīng)力；Sv為垂直主應(yīng)力；鉆孔水位約為590m，孔隙壓力按此水位估算。2.垂向應(yīng)力Sv的計算取上覆巖石的容重為：2.65 g/cm3。

表1 陽煤一礦三采區(qū)ZK1孔水壓致裂應(yīng)力測量結(jié)果

由表1可知，最大水平主應(yīng)力值范圍為24.24～30.88 MPa，最小水平主應(yīng)力范圍為11.95～15.27 MPa，垂直主應(yīng)力范圍為16.29～16.35 MPa。分析鉆孔不同深度上的三向應(yīng)力（圖3），以水平應(yīng)力作用為主，三向應(yīng)力值關(guān)系表現(xiàn)為SH＞Sv＞Sh。

水壓致裂試驗結(jié)束后，再使用窺視儀器對鉆孔進(jìn)行觀察，就可以得到該孔壓裂過程中破裂峰值較為明顯的主應(yīng)力方向。水壓裂縫垂直展布并在孔壁兩側(cè)對稱出現(xiàn)，準(zhǔn)確反映了壓裂縫的性狀（圖4）。該鉆孔地應(yīng)力測試所確定的最大水平主應(yīng)力（SH）的方向為N47°E～N53°E，也即該鉆孔最大主應(yīng)力方向為NE向。

圖2 ZK1鉆孔壓力－時間記錄曲線

圖3 ZK1鉆孔主應(yīng)力值隨深度變化圖

圖4 ZK1鉆孔壓裂前、后裂縫圖

4 結(jié)論

1）對陽煤一礦地區(qū)地應(yīng)力場進(jìn)行檢測，測量鉆孔不同區(qū)域的垂直應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)陽煤一礦地應(yīng)力中以水平主應(yīng)力為主，三向地應(yīng)力在數(shù)值上的大小關(guān)系為SH＞Sv＞Sh，符合構(gòu)造應(yīng)力場的典型特征。

2）水壓致裂試驗結(jié)束后，對鉆孔機(jī)進(jìn)行窺視發(fā)現(xiàn)，張開裂縫在孔壁兩側(cè)呈現(xiàn)對稱狀出現(xiàn)，符合水壓致裂產(chǎn)生裂隙的特征。

3）通過水壓致裂試驗發(fā)現(xiàn)，最大水平主應(yīng)力（SH）的方向為N47°E～N53°E，也即該鉆孔最大主應(yīng)力方向為NE向。