基于地應力實測的某礦區應力場分布特征

楊　睿　馬　驥

(1.山東科技大學土木工程與建筑學院；2.陜西正通煤業有限責任公司)

?

基于地應力實測的某礦區應力場分布特征

楊睿1馬驥2

(1.山東科技大學土木工程與建筑學院；2.陜西正通煤業有限責任公司)

地應力是影響礦井工程設計施工的重要因素，以某礦區為例，選取4個具有代表性的原巖應力測點，采用應力解除法進行了三維地應力測量，分析了該礦區的地應力分布特征。結果表明：各測點最大水平主應力都大于垂直應力，礦區最大主應力方向基本為NW—SE向，與實測主要構造的應力場方向基本一致，即礦區主控地應力為構造應力。現場實測地應力表明：目前主要巷道與最大主應力方向的夾角較大，對巷道圍巖穩定與維護產生不利影響，需根據實際采礦地質條件、施工因素、最大主應力方向，綜合確定巷道的最佳軸線方向及合理的斷面形狀。

地應力三維地應力測量應力場分布特征構造應力

地應力是導致土木建筑、水利水電、礦山、鐵路及其他巖土開挖工程變形、破壞的根本力源[1]，是確定巖體的力學性質、巖土工程施工設計、決策及相應的圍巖穩定性控制所必備的基本資料[2-3]。大量研究表明，在影響巷道圍巖穩定性、采礦工程的諸多因素中，地應力是起主導作用的因素之一[4]。近年來，相當一部分礦井陸續開展了地應力的現場實測工作，為井巷設計、礦井施工、圍巖穩定性維護提供了主要依據[5-8]。為有效掌握礦區地應力場的分布規律，本研究以某礦區為例，選取該礦區不同區域的4個測點進行地應力測量，為該礦井巷工程設計提供依據。

1　礦區概況

某礦區所在的亭南井田的設計面積為33.82km2，主采煤層為8#煤，煤層平均厚8.29m，礦井地質儲量約3.98億t，可采儲量約1.84億t(圖1)。該礦區處于路家—小靈臺背斜中段，向南進入大佛寺向斜北翼，向北則跨入孟村向斜南翼。井田受路家—小靈臺背斜、孟村向斜、大佛寺向斜的影響，而受路家—小靈臺背斜的影響最大。該背斜穿過礦井南部，影響范圍包括中塬村南部直至大佛寺井田北部邊緣，其軸部地層基本水平，南翼傾角也較平緩，起伏度最大為70m；北翼傾角也較小，為4°～6°，起伏度為70～100m。該井田北部為孟村向斜南翼，地層呈N20°E走向，傾角近水平，為2°～3°，與路家—小靈臺背斜北翼相鄰，使得井田在總體上形成了較簡單的單斜構造，大佛寺向斜北翼向北部凸出，伸入該井田東南角，地層產狀較平緩。

圖1　井田位置

2　地應力測量

2.1測試儀器及測點布置

本研究采用空芯包體三軸應變計(KX-81型)進行地應力測量，應變計主體采用環氧樹脂加工而成的空芯圓筒，壁厚3mm，內徑30mm，外徑36mm。在空心圓筒的中間部位(即在直徑35mm處)，將3組電阻應變花沿同一圓周等間距(120°)嵌埋于圓筒內部，每組應變花包含4支應變片，相互間的夾角為45°。本研究地應力測量共選取了4個原巖應力測點，測點布置如圖2所示。

2.2測試過程

首先將空心包體應變計安設于鉆孔中，待注入的環氧樹脂固化完全后(約20h后)，鉆孔內壁巖體與應變計相互膠結為一體；然后采用φ152mm薄壁取芯鉆對鉆孔進行套芯解除，此時鉆孔內壁周圍應力被解除，巖芯發生彈性回復，鑲嵌于應變計筒壁中的應變片產生了彈性變形，解除進尺為4cm/次，記錄相應的讀數，直至應力解除進尺大于應變計長度為止，得到了應力解除曲線，其中1#測點應力接觸曲線見圖3。

圖2　地應力測點位置

圖3　1#測點地應力解除曲線◆—應變1；■—應變2；▲—應變3；×—應變4； ★—應變5；●—應變6；+—應變7；?—應變8； ?—應變9；◇—應變10；□—應變11；△—應變12

2.3測量結果

礦區地應力測量結果見表1，其中，1#測點的測試結果與實際不符，在分析時不予采用。

表1　礦區地應力測量結果

3　礦區深部地應力場分布規律

111工作面材料道聯絡巷最大主應力σ1的方位角為144°、傾角為-26.4°、σ1為14.3MPa；西大巷201回風巷，最大主應力σ1的方位角為148°、傾角為80.5°、σ1為17MPa；西翼煤倉，最大主應力σ1的方位角為175°、傾角為13.5°，σ1為13.9MPa。各測點的最大水平主應力(13.9～17MPa)都大于垂直應力，水平最大主應力與水平面的夾角為13°～27°。實測礦區各點的垂直應力為10.4～12.7MPa，基本等于單位面積上覆巖層的重量。礦區最大主應力方向基本為NW—SE向，最大主應力與褶曲軸向夾角為60°～85°，與實測主要構造的構造應力場方向基本一致。礦區東翼主要巷道與最大主應力夾角為60°～75°，西翼為75°，垂直方向主應力分量約為最大值的0.8倍，受構造應力影響較大。距1#、2#地應力測點最近的地質構造為井田南部的路家—小靈臺背斜，距背斜軸約300m；距1#、2#地應力測點最遠的地質構造為南玉子向斜，距向斜軸約1 000m。由于該兩構造均呈NEE向延伸，因此，該區域最大主應力的方向與該構造向(背)斜軸向近似垂直，符合原有構造形成時的地應力場特征，如圖4所示。

4　地應力場與礦區巷道穩定性分析

在礦井實際生產中，最大水平應力與巷道夾角的不同造成的巷道破壞程度各不相同，與巷道夾角越大，應力集中越嚴重，巷道的變形越嚴重，巷道穩定性越差；而與最大水平應力夾角小的巷道則應力集中輕微。地應力實測結果表明，主要的巷道與最大主應力間的夾角較大，尤其是礦井西大巷、東翼軌道巷與最大主應力間的夾角分別約為75°、70°，巷道方向的布置不利于巷道的穩定與維護。圖5給出的西大巷方向的主要巷道的垂直方向上受到最大主應力的分量為約12.95MPa，在東翼軌道巷方向受到最大主應力的分量為約12.31MPa，在巷道支護設計時有必要考慮地應力的影響因素。在現場可發現2條巷道均有不同程度的破壞，底臌特別嚴重且都表現出相同側的非對稱變形。

圖4　礦區地應力分布方向

圖5　主要巷道垂直方向分力

5　結　語

以某礦區為例，采用應力解除法對該礦區的4個測點進行了地應力實測分析，認為該礦區的最大主應力方向基本為NW—SE向，與實測主要構造的構造應力場方向基本一致，即礦區主控地應力為構造應力。礦區實測最大主應力與目前的主要生產巷

道夾角較大，不利于巷道的穩定與維護，有必要結合實際采礦地質條件、施工因素、最大主應力方向，綜合確定巷道的最佳軸線方向及合理的斷面形狀。

[1]龐軍林.動力現象頻發礦區地應力測量及分布規律研究[J].煤炭科學技術，2012，40(12)：1-3.

[2]尹光志，鮮學福，金立平，等.地應力對沖擊地壓的影響及沖擊危險區域評價的研究[J].煤炭學報，1997，22(2)：22-27.

[3]蔡美峰，陳長臻，彭華，等.萬福煤礦深部水壓致裂地應力測量[J].巖石力學與工程學報，2006，25(5)：1069-1074.

[4]康紅普，林健，張曉.深部礦井地應力測量方法研究與應用[J].巖石力學與工程學報，2007，26(5)：929-933.

[5]劉江.伊泰礦區井下地應力測量及應力場分布特征研究[J].煤炭學報，2011，36(4)：562-566.

[6]鄭書兵.寺河煤礦三維地應力場分布和巷道布置優化[J].煤炭學報，2010，35(5)：717-722.

[7]潘一山，唐治，閻海鵬，等.大安山煤礦地應力測量及數值模擬分析[J].煤炭學報，2010(S)：49-53.

[8]張國鋒，朱偉，趙培.徐州礦區深部地應力測量及區域構造作用分析[J].巖土工程學報，2012，34(12)：2318-2324.

2016-03-23)

楊睿(1995—)，男，266590 山東省青島市黃島區前灣港路579號。