煤礦地質(zhì)應(yīng)力測(cè)量及應(yīng)力分布特征研究

李 江，楊 靖

(河南能源化工集團(tuán) 永煤公司地測(cè)部，河南 永城 476600)

煤礦開(kāi)采涉及到的技術(shù)包括在采煤中的工作面=保護(hù)、巷道布置與保護(hù)、采煤方法與技術(shù)、巖體工作面特征、巖體破壞規(guī)律，巖層控制、機(jī)理及防治土層沖擊壓力、煤氣排放、煤矸石利用、土層荷載等，找出煤礦井下應(yīng)力分布規(guī)律對(duì)安全有效運(yùn)行具有重要意義。我國(guó)西北部的煤炭?jī)?chǔ)量廣闊，包括小規(guī)模煤礦，其中一些煤礦的開(kāi)采深度只有幾十米。雖然淺層礦體有不同的定義，例如，一些科學(xué)家認(rèn)為埋藏深度不超過(guò)150 m，巖石與荷載層厚度的比值小于1，以壓入具有明顯荷載運(yùn)動(dòng)的淺埋層為小規(guī)模煤礦。本文針對(duì)淺層礦體，確定了埋藏深度不超過(guò)200 m[1]，采用上層巖體重量計(jì)算的垂直應(yīng)力不超過(guò)5 MPa的煤礦地質(zhì)應(yīng)力進(jìn)行研究。本文根據(jù)淺井煤礦的地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)淺井煤礦井下應(yīng)力分布特點(diǎn)及規(guī)律分析，得出地應(yīng)力的主要影響因素，并與礦井深度地下應(yīng)力測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，揭示礦井深處地表應(yīng)力和地下應(yīng)力分布的差異。最后，通過(guò)分析實(shí)例，介紹了煤礦井下應(yīng)力在煤柱尺寸優(yōu)化和支護(hù)設(shè)計(jì)中的測(cè)量結(jié)果。研究成果為煤礦地質(zhì)應(yīng)力測(cè)量提供了依據(jù)。

1 煤礦地質(zhì)應(yīng)力數(shù)據(jù)收集和處理

1.1 數(shù)據(jù)常規(guī)來(lái)源渠道

礦井地質(zhì)應(yīng)力數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)自兩個(gè)來(lái)源：主要是全國(guó)煤炭生產(chǎn)研究院856個(gè)點(diǎn)的水力壓裂測(cè)量數(shù)據(jù)，占到數(shù)據(jù)總量的55%。同時(shí)包括從高等院校和研究機(jī)構(gòu)研究生的科學(xué)著作、地質(zhì)試驗(yàn)報(bào)告中收集的數(shù)據(jù)，國(guó)家有關(guān)領(lǐng)域的重要期刊，共計(jì)412個(gè)礦井應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)和156個(gè)地面鉆井水力壓裂測(cè)量數(shù)據(jù)。地面鉆井水力壓裂數(shù)據(jù)占到總數(shù)據(jù)的12%。數(shù)據(jù)包括測(cè)點(diǎn)深度、井眼傾角和方位角、三主應(yīng)力、傾角和方位角，部分測(cè)點(diǎn)有力學(xué)參數(shù)[2]，如巖石彈性模量、泊松系數(shù)和抗壓強(qiáng)度.根據(jù)本文建立的礦山井下應(yīng)力數(shù)據(jù)庫(kù)包含265多個(gè)礦井的實(shí)際工程數(shù)據(jù)，覆蓋全國(guó)主要煤炭地區(qū)。礦井分布的范圍為地理緯度為27.55°N—49.25°N，地理經(jīng)度84.24°E—131.34°E。煤礦地質(zhì)應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)的最小深度為8 m，最大為1 283 m，包含多個(gè)深度的礦井開(kāi)采數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量是通過(guò)豎井內(nèi)布置傳感器得到平面應(yīng)力，可測(cè)量水平面上的2個(gè)主應(yīng)力水平和最大應(yīng)力方向，垂直應(yīng)力按測(cè)量點(diǎn)上的數(shù)據(jù)估算。用于測(cè)量點(diǎn)上的三維應(yīng)力，可以測(cè)量煤巖全應(yīng)力斷裂時(shí)單井三維應(yīng)力，包括3個(gè)主應(yīng)力值、方位角和傾角。本文采用彈性力學(xué)應(yīng)力變換公式將三維應(yīng)力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為水平和垂直應(yīng)力數(shù)據(jù)并通過(guò)兩個(gè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析平面應(yīng)力。局部地應(yīng)力測(cè)量地點(diǎn)在工作面或巷道掘進(jìn)過(guò)程中的側(cè)壁。

本文主要研究了煤礦井下巖體應(yīng)力分布規(guī)律，因而必須刪除采礦應(yīng)力影響測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)。方法將地應(yīng)力數(shù)據(jù)分散到標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記大散點(diǎn)的數(shù)據(jù)方向，分析對(duì)測(cè)量點(diǎn)的影響。排除受采礦影響的現(xiàn)場(chǎng)壓力數(shù)據(jù)，以盡量減少對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸分析結(jié)果的影響，保證數(shù)據(jù)不是非常分散的。但是并不是所有收集到的現(xiàn)場(chǎng)壓力數(shù)據(jù)都是有效的，需要選擇和提取不尋常的數(shù)據(jù)。首先刪除點(diǎn)深度、主應(yīng)力大小和方向的數(shù)據(jù)[3]。對(duì)于二維應(yīng)力，采用實(shí)測(cè)主應(yīng)力和最小應(yīng)力的直接分析，此方法和處理三維應(yīng)力數(shù)據(jù)的方式不一樣。

2 礦井地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)

2.1 測(cè)量方式

水力壓裂應(yīng)力的測(cè)量可以在井上或在巷道內(nèi)進(jìn)行。為了從地面測(cè)量應(yīng)力，從井上鉆垂直鉆孔，并用跨封隔器密封一段。然后，將密封段用水緩慢加壓，直到鉆孔壁因拉伸失效而破裂，并引發(fā)水力壓裂裂縫。通過(guò)記錄壓力與時(shí)間的曲線，觀察斷裂的形狀和方向，可以估計(jì)最大和最小主應(yīng)力的大小和方向[4]。垂直應(yīng)力可以從覆蓋層的重量來(lái)估計(jì)。

在本研究中，所有的應(yīng)力測(cè)量均在地下巷道上進(jìn)行。對(duì)于平面應(yīng)力測(cè)量，在巷道屋面中部向上鉆孔，以測(cè)量水平面上的最大和最小主應(yīng)力，如圖1所示。 由于鉆孔深度僅為20～30 m，在測(cè)量過(guò)程中可以獲得設(shè)定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。煤巖裂隙的發(fā)展可以得到密切控制，在第一個(gè)壓裂周期中，裂隙可能明顯打開(kāi)，因此很有可能存在完全閉合的裂隙[5]。在這種情況下，可以估計(jì)出最大的水平主應(yīng)力。

圖1 水壓地應(yīng)力測(cè)試原理示意Fig.1 Schematic diagram of hydraulic geostress test principle

垂直井的軸垂直平面上的最大水平主應(yīng)力的方向?yàn)閿嗔逊较?。壓模封隔器和指南針被用?lái)確定裂縫的方向。壓模封隔器由一個(gè)涂有軟橡膠的可充氣元素組成。當(dāng)封隔器膨脹時(shí)，涂層被擠壓到裂縫中，從而在表面留下永久的印記。根據(jù)孔內(nèi)印記封壓器的已知方向，可以推導(dǎo)出水平主應(yīng)力的方向。

2.2 試驗(yàn)地點(diǎn)選擇

遠(yuǎn)離工作面和其他開(kāi)挖，消除引起的動(dòng)態(tài)和殘余地質(zhì)的影響。此外，試驗(yàn)段應(yīng)放置在遠(yuǎn)離巷道頂層的地方，以消除由巷道開(kāi)挖引起的應(yīng)力。我國(guó)地下煤礦道路的典型寬度和高度分別為3.5～5 m和2.5～3.5 m。深度為20～30 m的鉆孔適用于應(yīng)力測(cè)量[6]。由于煤層本身強(qiáng)度較弱且性質(zhì)高度斷裂，通常很難在煤層中找到完整的鉆孔部分。因此，鉆孔應(yīng)鉆到相對(duì)完整的巖層中。如果鉆孔鉆到設(shè)備極限后，沒(méi)有完整的煤巖部分，應(yīng)放棄鉆孔，重新鉆孔。要進(jìn)行壓裂的完整巖石段的長(zhǎng)度必須大于1.2 m。選擇鉆孔完整部分的過(guò)程包括分析井井的完整性，以及使用鉆孔攝像機(jī)觀察井壁。

2.3 試驗(yàn)程序

測(cè)試分以下階段進(jìn)行[7]。

(1)泄漏測(cè)試。在壓裂試驗(yàn)前，檢查所有管道的壓力不大于15 MPa，以確保無(wú)泄漏發(fā)生。

(2)跨式封隔器插入鉆孔至所選的試驗(yàn)間隔，如圖2所示。

圖2 地下入口水力壓裂應(yīng)力試驗(yàn)示意Fig.2 Schematic diagram of hydraulic fracturing stress test at underground inlet

然后充氣，密封試驗(yàn)間隔，檢查其泄漏情況。將水注入試驗(yàn)間隔時(shí)間。當(dāng)壓力增加到一個(gè)特定的值時(shí)，高壓泵就會(huì)被關(guān)閉，該值應(yīng)盡可能大，而不會(huì)根據(jù)道路巖石性質(zhì)發(fā)生裂縫。通過(guò)分析壓力隨時(shí)間下降的趨勢(shì)，可以評(píng)估試驗(yàn)間隔的泄漏情況。如泄漏嚴(yán)重，應(yīng)放棄試驗(yàn)間隔，并選擇一個(gè)新的試驗(yàn)間隔。

(3)斷裂測(cè)試。試驗(yàn)水再次以快速流量注入試驗(yàn)間隔，直到井壁發(fā)生水力斷裂，此時(shí)泵關(guān)閉。壓力穩(wěn)定后，管道連接到空氣中，閥門打開(kāi)，使水排出。在第一個(gè)壓裂循環(huán)中，應(yīng)選擇足夠高的流量，以確保只發(fā)生一次重大斷裂。

(4)重新打開(kāi)測(cè)試。重新打開(kāi)試驗(yàn)通過(guò)注入與前一個(gè)壓裂周期相同的速率進(jìn)行。水再次注入試驗(yàn)間隔，直到裂縫重新打開(kāi)。壓力與時(shí)間曲線偏離其線性增加趨勢(shì)時(shí)，將壓力定義為重新打開(kāi)的新壓力數(shù)據(jù)。當(dāng)管道與空氣連接時(shí)，泵關(guān)閉，記錄壓力與時(shí)間曲線。重新開(kāi)試驗(yàn)通常包括3～4個(gè)周期，以確保良好的試驗(yàn)記錄。

(5)斷裂圖像。水力壓裂試驗(yàn)后，將壓印器和方向指示器插入鉆孔直至誘導(dǎo)裂縫位置段。壓力并保持0.5～1 h[8]，然后去除。斷裂的痕跡被繪制在橡膠薄膜上。最后，利用鉆孔攝像機(jī)觀察了裂縫的形狀和方向，并與裂縫印模進(jìn)行了比較。每個(gè)鉆孔應(yīng)選擇3～5個(gè)試驗(yàn)間隔，以提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。

3 單孔應(yīng)力測(cè)量結(jié)果分析

為掌握山西某礦山巷道頂不同深度巖體應(yīng)力特征，按照?qǐng)D3進(jìn)行了井下應(yīng)力測(cè)量。在工作面巷道中不同深度的多次水壓破裂。兩條巷道都穿過(guò)煤層底部，煤層厚度約為3 m。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 單孔應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Tab.1 Single hole stress measurement results

由于巷道上層的垂直布局，在表中自然增加了上面板表面的深度，實(shí)測(cè)鉆孔頂層應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 巷道圍巖應(yīng)力與試驗(yàn)深度的變化曲線Fig.3 Variation curve of surrounding rock stress and test depth of roadway

應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明，在單孔應(yīng)力測(cè)試情況下，淺埋煤礦180 m長(zhǎng)的面板被開(kāi)采，而兩邊的其他2個(gè)側(cè)壁則沒(méi)有。因此，測(cè)試環(huán)境沒(méi)有考慮液壓支護(hù)的效果。底板以上地質(zhì)應(yīng)力分布示意如圖4所示。以此類比，第2線表示初級(jí)巖石應(yīng)力的2倍，第1線是應(yīng)力增加區(qū)與凹陷區(qū)的邊界。煤柱監(jiān)控設(shè)備的安裝與布置如圖5所示。在負(fù)載力的作用下，應(yīng)力系數(shù)小于1[9-11]。特別是這個(gè)區(qū)域的大部分區(qū)域在0～0.5。在頂煤作用下，應(yīng)力系數(shù)大于1，這是一個(gè)應(yīng)力增加區(qū)域。當(dāng)頂煤與地面的距離越近，應(yīng)力系數(shù)越大。該系數(shù)隨深度而減小，并在2.5時(shí)達(dá)到峰值[12]。該巷道區(qū)域的平均應(yīng)力系數(shù)為2。

圖4 底板以上地質(zhì)應(yīng)力分布示意Fig.4 Schematic diagram of geological stress distribution above the floor

圖5 煤柱監(jiān)控設(shè)備的安裝與布置Fig.5 Installation and layout of coal pillar monitoring equipment

4 工程實(shí)例

采用的鉆孔應(yīng)力計(jì)為ZLGH-40型。 測(cè)試孔的直徑為40 mm，在同一路段分配兩組(每組6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn))。淺埋煤礦各個(gè)監(jiān)測(cè)段的距離分別為1、2、3、4、5、6 m。數(shù)字1、3、5、7、9和11為水平應(yīng)力設(shè)計(jì)，數(shù)字2、4、6、8、10和12為垂直應(yīng)力設(shè)計(jì)，如圖5所示。地面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、多點(diǎn)伸長(zhǎng)儀、鉆孔應(yīng)力計(jì)均距地面1.2 m。點(diǎn)間的間隔空間約為0.8 m。

鉆孔應(yīng)力計(jì)在淺埋煤礦不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力數(shù)據(jù)隨距離工作面的距離而變化。垂直和水平的應(yīng)力增量如圖6所示。

圖6 垂直和水平應(yīng)力的增加與遠(yuǎn)離工作面的距離之間的曲線Fig.6 Curve between the increase of vertical and horizontal stress and the distance away from the working face

具體來(lái)說(shuō)，立柱0～2 m區(qū)域垂直應(yīng)力增加速度較小，而2～4 m區(qū)域垂直應(yīng)力增加速度明顯，最大應(yīng)力為4 MPa。4～6 m區(qū)域的應(yīng)力增加在三個(gè)區(qū)域中最為明顯，其值約為18 MPa。此外，隨著距離工作面距離的減小，柱內(nèi)0～2 m區(qū)域的水平應(yīng)力的增大要小于3～4 m區(qū)域，峰值在4 m點(diǎn)處。與5 m點(diǎn)的應(yīng)力增加最大相比，6 m點(diǎn)的應(yīng)力增加最大。

對(duì)于某巷道的應(yīng)力分布，采用同一點(diǎn)不同距離變換的方法計(jì)算同一路段的應(yīng)力分布，例如10、20、60 m等6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力曲線如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)離工作面的垂直和水平應(yīng)力增加曲線Fig.7 Vertical and horizontal stress increase curve away from working face

從圖7可看出，隨著距離工作面距離的減小，各孔應(yīng)力的垂直應(yīng)力都會(huì)增大，鉆孔點(diǎn)深度越大，應(yīng)力的增大值越大。具體來(lái)說(shuō)，0～2 m區(qū)域的垂直應(yīng)力的體積增加較小，而2～4 m區(qū)域的應(yīng)力明顯上升。最大增加應(yīng)力在4～6 m區(qū)域，約18 MPa。結(jié)果表明，豎向應(yīng)力在柱子的核心區(qū)顯示出很明顯的增加，但沒(méi)有表現(xiàn)出正態(tài)分布。 與裂縫擴(kuò)展的結(jié)論相比，兩種研究結(jié)果是一致的。在超前支護(hù)作用下，煤柱出現(xiàn)煤巖變形和裂縫向巷道中心擴(kuò)展，為圍巖能量釋放提供了部分空間。這種機(jī)制導(dǎo)致鉆孔不同深度處的垂直應(yīng)力增加。

進(jìn)一步細(xì)分，存在 3 種應(yīng)力場(chǎng)，其中σV，σH，σh分別為垂直主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力：①σH>σV>σh型，共 31 個(gè)測(cè)點(diǎn)，占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的33.2% 。②σH>σh>σV，共 53 個(gè)測(cè)點(diǎn)，占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的62.2% 。③σV>σH>σh，共 4 個(gè) 測(cè)點(diǎn)，占總 測(cè)點(diǎn) 數(shù)的4.6% 。

地應(yīng)力散點(diǎn)分布如圖8所示，在淺部煤礦井下地應(yīng)力場(chǎng)中，大部分情況下，最大水平主應(yīng)力為最大主應(yīng)力，垂直應(yīng)力為最小主應(yīng)力，最小水平主應(yīng)力為中間主應(yīng)力。在全部測(cè)點(diǎn)中，最大應(yīng)力值為14.61MPa，最小值為0.95 MPa。最大主應(yīng)力≥10 MPa 的有 13 個(gè)測(cè)點(diǎn)，5～10 MPa 有 54 測(cè)點(diǎn)，小于 5 MPa 的有 21個(gè)測(cè)點(diǎn)。所測(cè)淺部煤礦井下地應(yīng)力最大值 85% 屬于低地應(yīng)力值(0～10 MPa)。

圖8 地應(yīng)力散點(diǎn)分布示意Fig.8 Schematic diagram of distribution of ground stress scatter points

5 結(jié)語(yǔ)

(1)受地質(zhì)條件、巖石性質(zhì)、地形、地表退化、氣候、溫度等因素影響，淺埋煤礦的地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)有很大隨意性，現(xiàn)場(chǎng)力值隨測(cè)點(diǎn)埋深的變化特性不易觀察。

(2) 淺埋煤礦的原地應(yīng)力場(chǎng)以σH>σh>σV型為主，水平應(yīng)力占據(jù)絕對(duì)地位。最大和最小水平應(yīng)力可分別達(dá)到主垂直作用力的4倍和2倍以上。

(3) 淺埋煤礦主水平最大應(yīng)力與主垂直應(yīng)力之比主要集中在1～3；主要最小水平應(yīng)力和主要垂直應(yīng)力之間的比例在大多數(shù)情況下為0.5～2.0；主要水平平均應(yīng)力和主要垂直作用力之間的比例在大多數(shù)情況下為1.0～2.5。

(4) 淺埋煤礦主最大應(yīng)力、主最小應(yīng)力和主垂直應(yīng)力差異性較大，最大比值大于2。比例越高，所體現(xiàn)出的巖體中的剪應(yīng)力越大，剪切破壞的可能性越大。然而，淺埋煤礦的地應(yīng)力值并不大。即使淺埋煤礦的地應(yīng)力值很大，剪切力的值也不一定很大。

(5) 在保證安全效果和巷道支護(hù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)煤和巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可提高煤炭資源回收率，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)性。