地應力在赤峪煤礦中的測試及分析

丁其全 ，孫德利 ，張 龍

1.中國礦業大學資源學院，江蘇徐州 221116

2.冀中能源邯鄲礦業集團山西金地煤焦有限公司，山西太原 030006

3.冀中能源邯鄲礦業集團赤峪煤礦，山西文水 032100

地應力是引起采礦工程圍巖、支護變形和破壞，產生地震和礦井動力現象的根本作用力[1]。煤礦井下采場、巷道與硐室等地下工程的穩定性與煤巖體中的應力狀態密切相關[2]。掌握地應力分布規律對開采與支護工程具有重要意義。地應力測量方法有多種[3]，根據測量原理可分為三大類：以測定巖體中的應變、變形為依據的力學法，如應力恢復法、應力解除法及水壓致裂法等；以測量巖體中聲發射、聲波傳播規律、電阻率或其他物理量的變化為依據的地球物理方法；根據地質構造和井下巖體破壞狀況提供的信息確定主應力方向的方法。本文采用應力解除法進行赤峪煤礦井底車場地應力測試，分析地應力赤峪煤礦地應力場特征與規律，并將測量結果應用于巷道布置與支護設計，指導礦井建設[4-5]。

1 赤峪煤礦概況

赤峪井田位于文水縣縣城西側約2.0km處。南北長11.5km，東西寬1.5km～5.1km，面積41.58km2。本井田位于太原西山煤田的西南部，西山礦區的西南端，煤田西緣斷裂帶與東緣斷裂帶（清交大斷裂帶）的收斂部位。主體構造為一寬緩的軸向北東的不對稱向斜（東社向斜），局部發育短軸背、向斜并發育一系列走向北東的斷層，且向南西收斂。地表巖層傾角西部陡，東部緩，中南部陡，北部較緩。井田內構造方向單一，主要為北東向，僅南部翹起端，發育一條北西向正斷層。

2 地應力測試及分析

圖1 地應力測試過程

2.1 地應力測試

2.1.1 測試過程

赤峪煤礦原巖應力測量采用在礦井井下巷道中進行，地質鉆孔布置在巷道內垂直于巷幫，以30°仰角向巷道頂板巖體中施工一定深度，將應力傳感器安裝在鉆孔底部，24小時候，打鉆套芯實施應力解除，記錄應變。見圖1所示。

2.1.2 測試儀器設備

本次采用澳大利亞ES＆S公司生產的CSIRO HI型傳感器，膠體為美國進口專用膠，以及地應力采集器。見圖2所示。

2.1.3 測試地點選擇

根據山西赤峪煤礦井下巷道開拓實際和地質條件，分別在井田副井區域和風井區域進行地應力測量工作。副井原巖應力測點位于副井底液壓室內部，垂直于巷道端部斷面；中央風井原巖應力測點位于中央風井車場轉彎處末端外側，垂直于巷道右幫。測點布置見圖3所示。

圖2 應力傳感器、膠體及采集器

圖3 測點布置圖

2.1.4 測試結果

應力測量在井下巷道中進行。鉆孔在巷道兩幫中部斜向上布置，測量水平面上的最大與最小水平主應力，垂直主應力由上覆巖層重量計算得出。鉆孔采用小孔徑，直徑為φ80mm；鉆孔長度為15m左右，應力解除長度45cm。結果見表1、表2所示。

表1 原巖應力匯總表

2.2 地應力分析

1）原巖應力場的最大主應力б1為最大水平主應力бhmax，方位為南東方向，略偏東。經過原巖應力實測副井測點和中央風井測點最大主應力б1傾角均較小，分別為3.6°和3.4°，均接近水平方向，即最大主應力б1應該為最大水平主應力бhmax。副井測點與中央風井測點最大主應力б1方位平均為分別為NE126.4°和NE124.5°，方向處于南東偏東向；2）原巖應力場的最小主應力б3為最小水平主應力бhmin，方位為近北東偏北方向。實測的副井和中央風井最小主應力б3傾角均較小，分別18.1°和16.3°，也接近水平方向，即赤峪煤礦最小主應力б3為最小水平主應力бhmin。最小主應力б3的方位角分別為37.8°和33.5°，方向為北東方向略偏北；3）同一測點上的最大水平主應力與最小水平主應力在方位上呈正交關系。從副井原巖應力測量結果中可以看出，其最大水平主應力與最小水平主應力方位分別為126.4°和37.8°，在方位上大致垂直，同樣的中央風井也可以看出最大水平主應力與最小水平主應力大致垂直；4）赤峪煤礦井田原巖應力場的中間主應力б2傾角較大，分別為74.0°和73.3°，接近垂直方向，且實測值與垂直應力бv接近；5）垂直應力與按上覆巖層容重和埋深計算的垂直應力基本相符。副井測點與中央風井測點埋深分別為680m和650m，按照上覆巖層容重計算垂直應力分別為17.00MPa和16.25MPa，其值比實測垂直應力值17.38MPa和17.83MPa略小；6）影響赤峪煤礦井下巷道穩定性的首要因素是水平應力。從副井和中央風井原巖應力測量結果看，б1/бv其值分別為1.54和1.48倍，礦井水平應力明顯大于垂直應力，說明水平應力比垂直應力對巷道圍巖穩定性的影響要大，為典型的構造應力場；7）井田巷道受最大水平應力方向性影響非常明顯。根據副井和中央風井原巖應力測量結果，б1/б3其值分別為2.50和2.53倍，說明井田內地應力場對巷道掘進影響具有明顯的方向性，在同一水平面的最大水平主應力與最小水平主應力之間差值越大，水平應力對巷道穩定性的影響越大；8）副井和中央風井原巖應力測點所測的中間主應力б2近似為垂直應力，所測中間主應力傾角較大，接近垂直方向，且其值與垂直應力也很接近。

3 結論

1）赤峪礦水平地應力大于垂直地應力。礦井主要是南北向延展的構造，構造擠壓作用明顯，生成了近東西向的最大構造水平主應力；2）目前井底車場巷道、南北大巷大多南北向與最大水平主應力接近垂直，所以該類巷道穩定是重點，應加強支護，局部破壞部位應補強支護；二首采區準備巷道一南北向為主，與最大水平主應力近似平行，預計地應力對該類巷道影響較小。

[1]倪興華.地應力研究與應用[M].北京：煤炭工業出版社，2007.

[2]王連捷，任希飛，丁原辰，等.地應力測量在采礦工程中的應用[J].北京：地震出版社，1994.

[3]蔡美峰.地應力測量原理與技術[M].北京：科學出版社，2000.

[4]康紅普，林健，張曉，等.潞安礦區井下地應力測量及分布規律研究[J].巖土力學，2010，31(3)：827-831.

[5]王連國，陸銀龍，楊新華，等.霍州礦區地應力分布規律實測研究[J].巖石力學與工程學報，2010，29(1)增：2768-2774.