北嶺煤礦地應力測量及應力狀態分析

楊志強，湯志龍，張春霆

（1.太原理工大學礦業工程學院，太原 030024；2.中煤平朔北嶺煤業，山西朔州 036000；3.山西中煤華晉能源有限責任公司，山西河津 043300）

北嶺煤礦地應力測量及應力狀態分析

楊志強1，2，湯志龍3，張春霆1，2

（1.太原理工大學礦業工程學院，太原 030024；2.中煤平朔北嶺煤業，山西朔州 036000；3.山西中煤華晉能源有限責任公司，山西河津 043300）

以中煤平朔煤業公司405運輸巷為工程背景，采用現場空芯包體測量方法對北嶺煤礦進行地應力測量，對巷道圍巖進行地質力學評估，為北嶺煤礦錨桿（索）支護技術提供重要準確的基礎數據。

采礦工程；地應力測量；空芯包體測量；地質力學評估

北嶺煤礦主要可采煤層為4號、6號、9號和11號煤層，目前開采4號煤層。4號煤層頂板以泥巖、砂質泥巖為主；煤層平均厚度10.1 m，傾角3°～5°，煤層節理中等發育；底板為泥巖和粉砂巖，局部為砂質泥巖。

為了提高礦井的現代化水平，實現安全高效生產，采用綜采放頂煤開采。北嶺煤礦當前的巷道斷面較小，已無法滿足運輸、通風等方面正常生產需要，為此必須擴大巷道斷面，由于煤體本身的強度較低，節理裂隙發育，開巷后圍巖煤體將變得破碎，整個巷道臨空面煤體的強度都會有不同程度的降低，巷道掘進過程中及后期服務過程中易發生冒頂和片幫等事故。此外巷道所處的地層條件復雜多變，圍巖性質千差萬別，且多數巷道在服務年限內還要經常受采動的強烈影響。本文采用現場測試方法對北嶺煤礦進行地應力測量，可為錨桿（索）支護技術提供重要準確的基礎數據。

1 北嶺煤礦地應力測量方法

地應力是指巖體處于天然產狀條件下所具有的內應力。地應力場的產生原因主要兩個：一個是由巖體自重作用產生垂直及水平應力，另外一個是由于地殼巖體運動而引起的構造應力。

獲取原巖應力狀態的定量數據資料的測量方法，最具代表性的是水壓致裂法和應力解除法。空芯包體測量法是北嶺煤礦地應力測量采用的主要方法。

1.1 測量儀器

基本原理與應力解除法相同，但是鉆孔的方式、傳感器的形式則不相同，測量工藝、技術有其特點，實現應變—應力換算的具體公式形式及算法都具有其個性。

1）空芯包體應力計的結構：KX-81型空芯包體式三軸地應力計是采用孔壁應變解除法進行地應力測量。可以通過一次套芯在單孔中解除獲得三維應力狀態。

KX-81型應力計由12個電阻應變片通過嵌入環氧樹脂筒中組成的。將3枚應變片形成的應變花沿環氧樹脂筒圓周相隔120°粘貼。

2）其他測量儀器：水平定向儀所用型號為SDX。

礦用智能數字應變儀型號為KBJ-16，見圖1。

率定機：主要由圍壓器和油泵組成，見圖2。可以將儀器讀數換算成折算位移，以便進行主應力計算。

現場測量時，取出帶有空芯包體探頭的巖芯，將其放入圍壓率定機中，將油高壓打入圍壓器中，給巖芯施加圍壓直至達到其預定值，然后降壓；繪出率定曲線。用公式計算彈性模量E和泊松比μ。

式中：E為彈性模量，MPa；P0為圍壓值，MPa；d為巖芯小孔內徑，mm；D為巖芯外徑，mm；εX為軸向應變；εT為周向應變。

率定機工作流程，見圖3，利用專業軟件處理現場實測數據，可求得求出應力狀態。

2 現場測試

根據礦井開采布局、地質構造及現場實際等情況，在405運輸巷選擇三個測點。測量鉆孔使用TXU-150型地質鉆孔機，采用直徑為130 mm的套芯鉆頭、直徑為130 mm的取芯管、直徑為130 mm的錐形口鉆頭、直徑為36 mm的測量孔鉆頭等鉆具。為了用于實驗室試驗，所以在打鉆過程中，將鉆取的巖芯和套取（帶有應力計）的巖芯用塑料、膠帶包裝密封，以免發生折斷或磨損。具體工作進展如下：

1號測孔：2011年6月14～17日，在405運輸巷150 m處進行1號測點的鉆進、取芯和地應力測量工作。于6月17日11時解除完畢，完成了1號測量鉆孔的現場測試工作。

2號測孔：2011年6月18～20日，在405運輸巷450 m處進行2號測點的鉆進、取芯和地應力測量工作。于6月20日12時解除完畢，完成了2號測量鉆孔的現場測試工作。

3號測孔：2011年7月2～5日，在405運輸巷750 m處進行2號測點的鉆進、取芯和地應力測量工作。于7月5日19時解除完畢，完成了3號測量鉆孔的現場測試工作。

在地應力計算和推導過程中，需要確定的是巖石彈性模量E和泊松比μ兩個參數，計算結果如表1所示。

3 地應力計算

表2為地應力測量觀測數據表，可根據測量的應變值計算出三個方向的應力值和方向，各應力分量值如表3和表4所示。

測量結果的分析結論：3個測點的最大主應力值分別為：3.5 MPa、3.4 MPa、3.5 MPa。隨開采深度的增加，地應力會隨之增大，地應力對采礦活動的影響會更大；最大主應力方向分別為北東96°、北東100°、北東105°，其中最大主應力方向為近東西向；三個測點近垂直方向的主應力值分別為2.3 MPa、2.4 MPa、2.5 MPa，基本等于自重應力。4）引起井下巷道變形和采場破壞主要原因是剪應力。

4 結論

1）空芯包體應力測量的方法的基本原理與應力解除法相同，但是鉆孔的方式、傳感器的形式則不同，測量工藝具有安裝操作簡單、效率高等優點，采用該方法對北嶺煤礦進行地應力測量是可行的。

2）北嶺煤礦的垂直應力基本等于自重應力，其地應力均為壓應力，且以水平構造應力為主。

3）隨開采深度的增加，地應力會隨之增大，地應力對采礦活動的影響會更大。北嶺煤礦地應力測量數據比較穩定，說明該礦區有比較穩定的地應力場。

Geostress Measurement and Stress-state Analysis in Beiling Mine

YANG Zhiqiang1,2,TANG Zhilong3,ZHANG Chunting1,2

(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Production Technology Division,Beiling Mine,ChinaCoal Pingshuo Group,Shuozhou 036000,China; 3.ChinaCoal Huajin Energy Co.,Ltd.,Hejin 043300,China)

Taking the No.405 transportation roadway as project background,the study measured geostress by empty inclusion method and evaluated surrounding rock in terms of geomechanics,which could provide accurate basic data for the bolt(cable)supporting technology in Beiling Mine.

mining engineering;geostress survey;empty inclusion measuring method;geomechanics evaluation

TD311

A

1672-5050（2015）02-0001-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.001

（編輯：薄小玲）

2014-11-13

楊志強(1981-)，男，山西應縣人，在讀工程碩士研究生，工程師，從事煤礦開采技術與管理工作。