地應(yīng)力對(duì)巷道布置的影響
——以淮南礦區(qū)為例

夏 磊，劉啟蒙，柴輝嬋，謝志鋼，周曉芳

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 引言

地應(yīng)力是一種相對(duì)穩(wěn)定的天然應(yīng)力場(chǎng)，客觀存在于地層中。但同時(shí)，地應(yīng)力場(chǎng)也具有非穩(wěn)定性，是復(fù)雜多變的。地應(yīng)力由地層的淺層向深層的過程中，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性變化，如地應(yīng)力增大、巖石產(chǎn)生塑性軟化且較易破碎的現(xiàn)象等[1]。在煤炭開采中，地應(yīng)力對(duì)于巷道的穩(wěn)定性的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，提出了多種巷道支護(hù)的方法[2]，并給出了合理布置巷道與最大水平主應(yīng)力夾角理論指導(dǎo)[3]，但是對(duì)于巷道軸向方向與最大、最小主應(yīng)力的夾角的規(guī)律與選擇仍然需要進(jìn)一步的研究。本文通過對(duì)淮南各個(gè)礦區(qū)的共86組地應(yīng)力數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析，簡(jiǎn)要得出巷道的最優(yōu)布置方位與最大主應(yīng)力夾角的規(guī)律。

2 地應(yīng)力對(duì)巷道布置的影響

2.1 地應(yīng)力數(shù)據(jù)

通過查閱文獻(xiàn)、對(duì)礦井資料整理以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采集，得到淮南煤田各個(gè)礦區(qū)不同位置處地應(yīng)力數(shù)據(jù)共計(jì)86組。其中，新集礦區(qū)30組，潘一礦6組，顧橋礦20組，望峰崗礦8組，潘三礦3組，潘北礦3組，謝一礦3組，丁集礦2組，張集礦2組，潘二礦4組，新莊孜礦4組，劉莊礦1組。對(duì)最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力以及垂直主應(yīng)力間的相對(duì)大小關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)σH>σh>σv類型的數(shù)據(jù)有12組，埋深范圍350.7～820 m，平均埋深556.35 m，占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)組數(shù)的14.0%；σH>σv>σh類型的數(shù)據(jù)有55組，埋深范圍370～1076 m，平均埋深750.78 m，占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)組數(shù)的64.0%；σv>σH>σh類型的數(shù)據(jù)有19組，埋深范圍440～1150 m，平均埋深706.25 m，占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)組數(shù)的22.1%。可以看出，在淮南地區(qū)已開采深度范圍內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)起主導(dǎo)作用。

2.2 巷道最佳布置角度分析

利用鉆井水力壓裂法和應(yīng)力解除法獲得地應(yīng)力數(shù)據(jù)后，一般采用測(cè)壓系數(shù)λ1、λ2(λ1=σH/σv，λ2=σh/σv)對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行描述[4]。依據(jù)最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力間的比值關(guān)系分類，當(dāng)λ1<1時(shí)，最大水平主應(yīng)力小于垂向應(yīng)力，煤層總體以垂向上壓應(yīng)力為主，水平方向則以拉伸應(yīng)力為主，具有大地靜力場(chǎng)特征；當(dāng)λ1>1時(shí)，最大水平主應(yīng)力大于垂向應(yīng)力，煤層總體以水平向上壓應(yīng)力為主，具擠壓型應(yīng)力場(chǎng)特征；當(dāng)λ1≈1時(shí)，則地應(yīng)力場(chǎng)接近靜水壓力場(chǎng)。

從地應(yīng)力場(chǎng)的角度考慮巷道布置時(shí)，必須考慮巷道軸線方向與最大主應(yīng)力方向的夾角，最優(yōu)夾角應(yīng)使作用在巷道圍巖邊界上的法向應(yīng)力和垂直主應(yīng)力滿足：

σn/σv=1

(1)

式(1)中，σn為法向應(yīng)力，σv為垂直主應(yīng)力。

由前文分析可知，淮南煤田已開采范圍內(nèi)，σH>σv>σh類型應(yīng)力場(chǎng)占大多數(shù)。在σH>σv>σh類型中，σ1=σH，σ2=σv，σ3=σh，在這種原巖地應(yīng)力場(chǎng)中，選擇合適的巷道方向，巷道圍巖邊界上的法向應(yīng)力和垂直主應(yīng)力可以滿足σn/σv=1=1。任意斜面上的法向應(yīng)力與最大和最小水平主應(yīng)力的關(guān)系為：

(2)

式(2)中，α為巷道軸線與σH方向的夾角[5]。把σn=σv代入式(2)得到：

(3)

求解式(3)，可得到最優(yōu)夾角α0[6]，即：

(4)

3 數(shù)據(jù)分析

(1)由式(4)可以看出，在σH>σv>σh類型地應(yīng)力場(chǎng)中，巷道軸線方向與σH方向的最優(yōu)夾角的變化范圍為0°<α0<90°。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，對(duì)淮南煤田σH>σv>σh類型應(yīng)力場(chǎng)下最優(yōu)巷道布置方位進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1，α0與λ1的關(guān)系見圖1。

表1 α0與λ1關(guān)系

圖1 α0與λ1關(guān)系

由圖1可看出，巷道最優(yōu)布置方位主軸線與最大水平主應(yīng)力的夾角α0隨最大水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的比值λ1的增大而發(fā)生指數(shù)型降低，二者的擬合公式見式(5)。這一現(xiàn)象說明隨著最大水平主應(yīng)力的相對(duì)增大，水平方向的應(yīng)力對(duì)巷道布置的影響逐漸超過垂直應(yīng)力，最優(yōu)布置巷道的軸線偏向最大水平主應(yīng)力的方向；當(dāng)σH≈σv時(shí)，巷道的最優(yōu)布置方位垂直于最大水平主應(yīng)力。

α0=68.682×λ1-2.994

(5)

式中，確定系數(shù)R2=0.6786。

(2)根據(jù)式(5)，當(dāng)σH>σh>σv時(shí)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，對(duì)淮南煤田σH>σh>σv類型應(yīng)力場(chǎng)下最優(yōu)巷道布置方位進(jìn)行了計(jì)算，α0與λ2的計(jì)算結(jié)果見表2，兩者的關(guān)系見圖2。

由圖2可以看出巷道最優(yōu)布置方位主軸線與最大水平主應(yīng)力的夾角α0隨著最小水平主應(yīng)力σh和垂直主應(yīng)力σv的比值有著線性增長(zhǎng)的關(guān)系。這一現(xiàn)象說明：隨著最小水平應(yīng)力σh的相對(duì)增大，垂直方向的應(yīng)力對(duì)巷道布置的影響超過水平應(yīng)力，最優(yōu)布置巷道的軸線偏向垂直主應(yīng)力的方向，當(dāng)最小水平主應(yīng)力σh和垂直主應(yīng)力σv近似相等時(shí)，即σh≈σv，巷道的最優(yōu)布置方位近似平行于最小水平主應(yīng)力。

α0= 115.3λ2-103.8

(6)

其中確定系數(shù)R2=0.737。

表2 α0與λ2關(guān)系

圖2 α0-λ2 關(guān)系

(3)根據(jù)式(4)，當(dāng)σv>σH>σh時(shí)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，對(duì)淮南煤田σv>σH>σh類型應(yīng)力場(chǎng)下最優(yōu)巷道布置方位進(jìn)行計(jì)算，去除無效數(shù)據(jù)之后，α0與λ1的計(jì)算結(jié)果見表3，兩者的關(guān)系見圖3。

表3 α0與λ1關(guān)系表

圖3 α0與λ1關(guān)系

由圖3可以看出，巷道最優(yōu)布置方位主軸線與最大

水平主應(yīng)力的夾角α0隨最大水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的比值λ1的增大呈現(xiàn)二次增加的趨勢(shì)。二者的擬合公式見式(7)，這一現(xiàn)象說明：在最大應(yīng)力為垂直應(yīng)力的情況下，隨著最大水平主應(yīng)力的相對(duì)增大，垂直方向的應(yīng)力對(duì)巷道布置的影響逐漸超過水平應(yīng)力，最優(yōu)布置巷道的軸線偏向垂直主應(yīng)力的方向，當(dāng)σH≈σv時(shí)，巷道的最優(yōu)布置方位與最大水平應(yīng)力約成45°夾角。

α0=90.39λ12-74.72λ1+23.45

(7)

其中確定系數(shù)R2=0.379。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)有統(tǒng)計(jì)的86組地應(yīng)力數(shù)據(jù)，64%的地應(yīng)力數(shù)據(jù)符合σH>σv>σh的特征，平均埋深約為750.78 m，應(yīng)力量級(jí)以中等和高應(yīng)力區(qū)為主，合計(jì)約占91.7%。

(2)在σH>σv>σh類型地應(yīng)力場(chǎng)中，隨著最大水平主應(yīng)力的相對(duì)增大，布置巷道時(shí)，巷道的軸線方向應(yīng)向最大主應(yīng)力方向靠近，且當(dāng)最大主應(yīng)力近與垂直主應(yīng)力相等時(shí)，巷道的布置方向應(yīng)與最大水平主應(yīng)力垂直。

(3)在σH>σh>σv類型地應(yīng)力場(chǎng)中，隨著最小水平主應(yīng)力的相對(duì)增大，布置巷道時(shí)，巷道的軸線方向應(yīng)向垂直主應(yīng)力方向靠近，且當(dāng)最小水平主應(yīng)力近似與垂直主應(yīng)力相等時(shí)，巷道的布置方向應(yīng)與最下水平主應(yīng)力近似平行。

(4)在σv>σH>σh類型地應(yīng)力場(chǎng)中，隨著最大水平主應(yīng)力的相對(duì)增大，巷道布置時(shí)，巷道的軸線方向應(yīng)向垂直主應(yīng)力方向靠近，且當(dāng)最大主應(yīng)力近似與垂直主應(yīng)力相等時(shí)，巷道的布置方向應(yīng)與最大水平主應(yīng)力約成45°夾角。