深部高應力礦井原巖應力測試與生產影響分析

趙艷鵬 牛海連 邵珠娟

（1.臨沂礦業集團菏澤煤電有限公司，山東 鄆城 2740201；2.濟寧市高級職業學校，山東 濟寧 272001；3.臨沂礦業集團有限責任公司，山東 臨沂 276017）

礦山井下巖層初始處于三維的穩定受力狀態，開挖后，巖體一個方向的約束得到解除，巖體即處于非穩定的受力狀態，巖層開始運動。而為滿足采煤工作面正常的作業條件，需要控制巷道圍巖的穩定，需要進行巷道支護。郭屯煤礦面臨深井高地壓的問題，且目前尚未進行原巖應力測試，對其原巖應力分布規律尚不清楚。因此，本文通過應力解除法在郭屯煤礦巷道中選取了4個測點，進行原巖應力測試，分析原巖應力分布規律，以指導礦井更加安全高效的生產。

1 工程概況

郭屯井田位于山東省菏澤市鄆城縣城南約10km。井田為華北型石炭、二疊系煤田。地層從上而下依次為第四系、上第三系、二疊系上統上石盒子組、下統下石盒子組和山西組、石炭系上統太原組、中統本溪組、奧陶系中、下統，主要含煤地層為山西組和太原組。

郭屯礦井開采條件復雜，應力較大，井田內地質構造復雜程度中等，斷層發育。開采的3煤層屬穩定-較穩定類型，埋深為500～1250m，煤層及頂板具有弱沖擊傾向性。3煤層底板有一層太原組“三灰”含水層，水壓較大。為確保郭屯煤礦的安全開采，進行原巖應力測試。

2 原巖應力測試

2.1 測點布置與安排

郭屯煤礦原巖應力測試共選取4個測點，分別編號為 GTSC-1、GTSC-2、GTSC-3、GTSC-4。測點均位于1301軌道順槽。根據現場條件確定各測點鉆孔的方位角、鉆孔仰角、測點絕對深度。

首先應用Φ108mm的取芯鉆頭施工安裝應力傳感器的導孔，導孔深度為8.11m；然后在導孔孔底使用變徑鉆頭施工變徑孔，變徑孔深度為4cm；而后應用Φ38mm取芯鉆頭施工安裝小孔，孔深度30cm，GTSC-1、GTSC-2、GTSC-3、GTSC-4測 點取出的巖芯分別為中砂巖、細砂巖、泥巖、細砂巖；最后使用專用清洗頭清理安裝小孔。安裝孔完成后，根據安裝小孔巖芯完整情況，采用粘結的方法安裝應力計。粘結劑固化24h后，對裝有應力計的巖體進行套芯應力解除。應力解除后傳感器如圖1所示。

2.2 測試結果

應用專用數據處理軟件對測量數據進行處理后表明，GTSC-1、GTSC-2、GTSC-3和GTSC-4的應變片數據相關系數為0.952、0.975、0.963、0.956，可信度均較高。應力計的12個應變片隨解除距離的應變變化曲線如圖2所示。

圖1 GTSC應力解除后傳感器

由圖2（a）可知，從開始至距離為10cm的階段，曲線變化幅度較小，說明鉆頭與應變片之間還有一定的距離；當解除距離至10cm后，各應變片的應變量迅速增大；當解除距離達22cm時，應變量達到最大值；當解除通過應變片后，各應變片的應變曲線趨于平緩；當解除至25cm后，應變量基本不變；解除至30cm時，應變解除結束。應變解除曲線正常，可作為計算應力的依據。

GTSC-2、GTSC-3和GTSC-4測點的規律與GTSC-1基本相似。GTSC-2、GTSC-3和GTSC-4測點的解除至應變片位置分別達到21cm、22cm、21cm時，應變量達到最大值；分別解除至24cm、25cm、25cm后，應變量基本不變；解除至30cm時，應變解除結束。

根據測試結果分析得出最大水平應力、最小水平應力、垂直應力，如表1所示。

圖2 郭屯煤礦應力計應力解除曲線

表1 原巖應力測量結果

3 原巖應力實測分析

為便于分析，將上述測試結果匯總到立體網格上，如圖3所示。

根據圖2和圖3的分析，可以看出：最大主應力為水平應力，其方位角集中在119.03°～122.08°范圍內，應力值大小為31.00～56.56MPa，傾角為 -21.36°～55.28°；最 小 主 應 力 的 方 位 角 集 中 在208.48°～215.94°，應力值大小在 15.02～17.13MPa；中間主應力的方位角集中在283.98°～0.36°，應力值大小在 15.02～17.13MPa。

圖3 主應力分布立體網格圖

3.1 原巖應力對礦井生產影響

分析最大水平應力與巷道成不同角度的情況下，巷道破壞的情況。與最大水平主應力成不同角度掘進的巷道將經受不同程度的應力集中的影響，相應的巷道狀況也會有顯著的差別，如圖4所示。

圖4 不同掘進方向巷道狀況的差異

巷道掘進方向與最大水平主應力成不同的角度則對巷道圍巖控制具有不同的影響。當兩者角度平行時，水平應力對其影響最小；當兩者垂直時，水平應力對其影響最大；當兩者斜交時，巷道一側應力集中而另一側應力釋放，變形會出現非對稱性。

郭屯煤礦目前的巷道沿近南北向布置的1302、1304外、1308外工作面順槽掘進方向與最大水平應力的夾角一般為47°～63°左右，巷道沿不利的方向掘進，水平應力對巷道的布置有影響；而沿北東-西南方向布置的1301、1303、1304里、1305、1306、1308里工作面順槽巷道掘進方向與最大水平應力的夾角一般為96°左右，掘進方向與最大水平應力接近垂直，巷道沿最不利的方向掘進，水平應力對巷道產生影響較大。所以，對于未開采區域布置巷道時，應盡量使巷道掘進方向與最大水平應力的方向一致，以減少水平應力對巷道的影響。

3.2 原巖應力與底板突水分析

郭屯井田3煤層底板砂巖厚2.10～21.92m，以細砂巖為主，局部為中砂巖和粉砂巖，裂隙局部發育，充填有方解石脈。在采動壓力和奧灰含水層水壓的共同作用下，會造成底板的破壞。當底板破壞深度波及到下部含水層且承壓水壓力大于或等于水平最小應力時，底板巖體的滲透性增大。當滲透性增加到一定程度時產生滲流，隨著滲流量的增大，造成底板突水。

現階段郭屯煤礦工作面順槽的布置方向與最大水平應力方向近乎垂直，最大水平應力對巷道頂底板的破壞程度影響最嚴重，導致3煤底板與三灰間的有效隔水層厚度大大減少，增加了三灰水突水的可能性。因此，當工作面順槽方向與最大水平應力接近垂直時，應加強對底板破壞程度的觀測和監測，防止底板突水事故的發生。從長遠角度講，郭屯煤礦下組煤受底板奧灰水威脅嚴重，研究煤層采動后頂底板應力狀態發生改變，會產生一定范圍的變形與破壞。不同煤層采動過程中的底板破壞具有一定的規律，對于受底板水害威脅的下組煤，正確確定底板采動破壞深度是精確預測底板阻水能力的首要條件。

4 結論

（1）原巖應力場的最大主應力為水平應力，最大水平應力的方向為119.03°～122.01°。最大水平應力大于垂直應力，最大水平主應力為垂直應力的1.52～2.68倍。最大水平應力對井下巖層的變形破壞方式及礦壓顯現規律會有明顯的影響。

（2）最大水平主應力為最小水平主應力的1.83～3.77倍，水平應力對巷道掘進的影響具有較為明顯的方向性。工作面巷道掘進方向與最大水平應力的方向夾角較大，已接近垂直，水平應力對巷道穩定性的影響較大。另外，最大水平應力對巷道頂底板的破壞程度影響最嚴重，導致3煤底板與三灰間的有效隔水層厚度大大減少，增加了三灰水突水的可能性。