深埋采區巷道圍巖地應力測試研究

李紅友，姚方興

（1.臨沂礦業集團菏澤煤電有限公司 郭屯煤礦，山東 菏澤 274000；2.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

煤炭是自然界中一種基礎能源，儲量大、分布廣、可利用率高，同時又作為國家能源安全和經濟安全的基礎，在中國能源發展史上有著舉足輕重的位置[1]。隨著煤炭開采的深度加大，對巷道安全的要求就越來越高。地應力作為造成礦山巷道及地下工程變形、破壞的主要因素，其大小、方向等會對巷道的穩定性產生嚴重影響[2]。作為原巖應力的重要組成部分，地應力的變化與巷道的穩定息息相關。因此，對地應力進行準確地測量，分析其特征，對于巷道的支護和礦井安全十分必要[3]。空心包體法因其操作簡單，準確度高[4-6]等特點，受到了國內外學者的廣泛歡迎。高峰[7]采用應力解除法針對曹莊煤礦現場進行地應力測試，優化巷道支護參數，針對高應力軟巖巷道圍巖變形提出相應解決方法；高會春[8]將三維套孔應力解除地應力測試技術和空心包體應變計相結合，對東周窯礦東翼采區進行地應力現場實測以及圍壓率定實驗，對空心包體應力解除法測試地應力的原理、儀器構造、測試過程等方面做了詳細介紹的同時，對該礦區地應力分布規律做出詳盡介紹；李曉鵬[9]測定軟巖巷道圍巖的物理力學參數，為軟巖巷道控制方案提供數據支撐；康紅普[10]對晉城礦區進行地應力場測試和研究，收集煤礦地應力數據，在建立“中國煤礦井下地應力數據庫”的同時，繪制了中國煤礦礦區地應力分布圖。

本文以郭屯煤礦采區為研究背景，利用空心包體類三維應力測量法，在測得郭屯煤礦巷道圍巖地應力的同時對巷道圍巖穩定性進行研究，為類似礦井的開采和支護提供一定參考價值。

1 概 況

郭屯煤礦地層自下而上分為奧陶系、石炭系、二疊系、新近系和第四系，區域內含煤地層主要賦存于二疊系山西組和石炭-二疊系太原組。礦區東起田橋斷層，西界為煤系地層隱伏露頭，總體為向東傾斜的單斜構造，地層傾角約為6°，屬簡單型構造。

2 地應力測量方法

2.1 空心包體法三維地應力測量元件

本研究項目用空心包體類三維應力測量法進行測量，應力計結構如圖1、圖2 所示。

圖1 空心包體應力計結構Fig.1 Structure of hollow inclusion stress meter

圖2 空心包體應變分布示意Fig.2 Hollow inclusion strain distribution diagram

該應力計由12 個電阻應變片分別埋入環氧樹脂筒中制成。制作過程中將3 個應變花沿環氧樹脂薄壁筒圓周相隔120°粘貼。然后在外層注入環氧樹脂粘結劑，并將其嵌入到環氧樹脂管內[11]。

2.2 空心包體法三維地應力測量原理

本文采用空心包體類環氧樹脂三軸應變法，其應力解除過程詳如圖3 所示。

圖3 測點應力解除過程Fig.3 Stress relieving process of measuring point

2.3 測點布置原則

（1） 應在盡量完整、層理不發育或膠結較好的巖體中布置測點。

（2） 側孔深度應大于巷道或已開挖峒室跨度的2.5 倍。

在煤礦副井四叉門處布置地應力測試點，鉆孔數據見表1。

表1 地應力測量鉆孔狀況Table 1 In-situ stress measurement drilling

2.4 地應力測試步驟

（1） 用工程地質鉆，鉆孔直徑133 mm，并進行濕法鉆井，將巖粉水等排出，再用36 mm 鉆頭同心鉆進測量孔，深度約33 cm。

（2） 先將質量比為4.2∶1 的粘結劑填充到空心包體應力計圓筒內，柱塞插入內腔，用鋁絲將其固定，再用定位器接送棒把空心包體送入鉆孔中預定位置，繼而推動安裝桿，剪斷鋁絲，使粘結劑流入應力計與測量孔孔壁之間的間隙。15 h 后，粘結劑發生固化，記錄應力計相應偏角β。

（3） 在應變儀相應位置處連接由應變片所引出的電纜線，調節應變儀使其讀數為零。

（4） 每2 cm 進尺測量一次。當采集儀的數據不變時，停止鉆機。

（5） 應力解除完畢后，取芯。應力解除曲線如圖4 和圖5 所示。

圖4 1 號測試孔應力解除曲線Fig.4 Stress relief curve of No.1 test hole

圖5 2 號測試孔應力解除曲線Fig.5 Stress relief curve of No.2 test hole

由圖4 和圖5 可得，12 個應變片的應力解除曲線規律性良好，應變片工作狀態正常。解除套孔，套孔到達應變片所在位置之前，12 個應變片所測得應變值趨近于零；當套孔深度至測量斷面時（即應變片所在部位），應變片測得數值均不斷增加；當套孔深度在36~38 cm 時，應變片測得應變值趨于穩定，此時測點應力完全解除。

根據巖芯的圍壓率定實驗，其彈性模量E 和泊松比ν 修正后的計算公式如下：

式中：εθ、εz分別為周向應變值和軸向應變值；R和r 分別為空心包體的外徑和內徑；P0為圍壓試驗加載的外壓；R1為空心包體內半徑；R2為小孔半徑；G1、v1分別為空心包體材料環氧樹脂的剪切模量和泊松比；G2、v2分別為芯樣的剪切模量和泊松比；ρ 為應變片在空心包體中的徑向距離。

綜上，可得地應力大小和方向，數據見表2、表3。

表2 兩個鉆孔的應力分量/MPaTable 2 Stress components of two boreholes/MPa

表3 主應力的大小及方向Table 3 The size and direction of principal stress

3 結 論

本文以郭屯煤礦采區為研究背景，利用空心包體類三維應力測量，對巷道圍巖地應力進行了測試，其主要研究結論如下。

（1） 實測結果表明，第一主應力為水平應力，其方位角為100.44°～111.030°。

（2） 該礦最大水平主應力均值為15.7 MPa，為最小水平主應力值的0.60～0.62 倍，二者差值較小，有利于巷道穩定。

（3） 根據常用應力量級判斷標準可得，該煤礦井下地應力整體上處于低、中地應力值區域，對巷道支護有利。