紅一煤礦地應(yīng)力測量及其對巷道穩(wěn)定性影響研究

＊楊勇 周德琛 程軍 張運中 胡光成

（寧夏紅墩子煤業(yè)有限公司 寧夏 750000）

地應(yīng)力測量常用來解決采礦、地下建筑施工、工程地質(zhì)、大地構(gòu)造研究和其他領(lǐng)域的一系列巖石力學(xué)問題。地應(yīng)力是地下采礦工程設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)，地應(yīng)力的大小和方向是地下開拓和支護方案設(shè)計的基本條件[1]。地應(yīng)力測量方法主要有水壓致裂法、應(yīng)力解除法、聲發(fā)射法、應(yīng)力恢復(fù)法等[2]。劉虎軍、劉四軍、于雷等[3-5]均基與空芯包體測量方法分別對彬長礦區(qū)、木城澗礦區(qū)、紅廟礦區(qū)地應(yīng)力分布情況進行了研究，為巷道差異性變形機制分析及巷道控制方式設(shè)計提供了有力支撐，長久以來，地應(yīng)力測量工作是指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)行之有效且愈發(fā)必不可少的技術(shù)方法。

1.礦區(qū)概況

紅墩子礦區(qū)紅一井田位于寧夏回族自治區(qū)東部，隸屬銀川市濱河新區(qū)管轄。井田西南距臨河鎮(zhèn)約10km，距銀川市約30km，東距內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗約70km。總體構(gòu)造為一走向北東向、西翼陡東翼緩的不對稱背斜，即紅墩子三道溝背斜，其西部發(fā)育有紅墩子向斜，再向西被黃河斷裂所斷。紅墩子三道溝背斜西翼受紅墩子斷層切割，紅墩子斷層落差30～180m，紅墩子三道溝背斜東翼上還發(fā)育有17條落差小于20m的斷層，其中7條斷層走向呈北西向，10條斷層走向呈北東向。井田內(nèi)煤層大部賦存于紅墩子三道溝背斜東翼。根據(jù)區(qū)內(nèi)的構(gòu)造形態(tài)、斷層及褶曲的發(fā)育情況，確定井田構(gòu)造復(fù)雜程度為簡單偏中等構(gòu)造類型。1150401工作面是紅一煤礦，乃至整個紅墩子礦區(qū)首個開采工作面，1150401工作面共布置3條巷道，分別為1150401工作面回風(fēng)順槽、運輸順槽及排水巷，其中排水巷是受二次采動影響巷道，在1150403工作面開采時，作為1150403工作面的回風(fēng)順槽。1150401工作面及鄰近工作面巷道布置，如圖1所示。

圖1 1150401工作面巷道布置圖

2.地應(yīng)力測量方案

(1)測量原理與工作流程

空芯包體測量屬孔壁應(yīng)變解除法，我國常用的空芯包體應(yīng)力計是由地質(zhì)力學(xué)研究所制造的KX-81型空芯包體式三軸地應(yīng)力計，可實現(xiàn)在單孔中通過一次套芯解除獲得三維應(yīng)力狀態(tài)，具有使用方便、安裝操作簡單、成本低、效率高等優(yōu)點。施工流程圖如圖2。

圖2 施工流程圖

(2)地應(yīng)力監(jiān)測方案

紅一煤礦地應(yīng)力測量均使用礦方鉆機，型號為ZDY-3300S礦用深孔鉆機。紅一煤礦地應(yīng)力測量鉆孔位置、鉆孔參數(shù)見表1、表2、圖3、圖4所示。

表1 鉆孔地點

表2 測量鉆孔參數(shù)

圖3 回風(fēng)立井井底車場測點位置

圖4 第一中部車場順槽聯(lián)絡(luò)巷測點位置

3.地應(yīng)力測量結(jié)果與分析

(1)地應(yīng)力測量結(jié)果

在進行地應(yīng)力分析時，在計算主應(yīng)力時，需要被測鉆孔煤巖樣的彈性模量E和泊松比μ兩個參數(shù)，將測得的鉆孔方位、應(yīng)變片安裝角、彈性模量、泊松比等數(shù)據(jù)輸入到地應(yīng)力軟件計算。

在3個測點中，回風(fēng)立井井底車場2個地應(yīng)力測點埋深在449m，2個測點最大水平主應(yīng)力值為18.23MPa，第一中部車場順槽聯(lián)絡(luò)巷1個地應(yīng)力測點埋深在589m，最大水平主應(yīng)力值為20.21MPa。隨著埋深增加，最大水平主應(yīng)力值增加，最大水平主應(yīng)力增加梯度為1.42MPa/100m，即埋深每增大100m，最大水平主應(yīng)力值增加1.42MPa。為垂直應(yīng)力場的1.38倍，紅一煤礦最大主應(yīng)力矢量圖，如圖5所示，地應(yīng)力實測值見表3所示。

表3 紅一煤礦實測地應(yīng)力值

圖5 紅一煤礦最大主應(yīng)力矢量圖

(2)地應(yīng)力對巷道巷道穩(wěn)定性的影響

地應(yīng)力是引起采礦工程圍巖、支護變形和破壞、產(chǎn)生礦井動力現(xiàn)象的根本作用力，在諸多影響采礦工程穩(wěn)定性的因素中，地應(yīng)力是最重要和最根本的因素之一。在礦井設(shè)計、施工和生產(chǎn)的各個階段，根據(jù)工程所處的不同構(gòu)造部位和地質(zhì)條件，考慮原巖應(yīng)力作用的特征，合理地確定巷道斷面的幾何形狀，合理地選擇巷道的軸線方向，對于保證巷道的相對穩(wěn)定和生產(chǎn)的安全都有重要意義。

隨著巷道軸向與構(gòu)造應(yīng)力場方向夾角的增大，巷道圍巖受力狀況逐漸趨于惡化，基于此，在布置巷道時，使巷道軸線方向與最大水平主應(yīng)力方向夾角愈小愈好。

澳大利亞學(xué)者蓋爾（Gale）提出最大水平應(yīng)力理論認(rèn)為巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響，該理論認(rèn)為：礦井巖層的水平應(yīng)力一般是垂直應(yīng)力1.3～2.0倍。而且水平應(yīng)力具有方向性，最大水平應(yīng)力一般為最小水平應(yīng)力的1.5～2.5倍。且有三個特點：①與最大水平應(yīng)力平行的巷道受水平應(yīng)力影響最小，頂?shù)装宸€(wěn)定性最好；②與最大水平應(yīng)力呈銳角相交的巷道，其頂?shù)装遄冃纹茐钠蛳锏滥骋粠停虎叟c最大水于應(yīng)力垂直的巷道，頂?shù)装宸€(wěn)定性最差。

地應(yīng)力測試結(jié)果表明：紅一煤礦地應(yīng)力場屬于水平構(gòu)造應(yīng)力場，最大主應(yīng)力的方向為270.61°，最大主應(yīng)力值為20.21MPa，地應(yīng)力方向與工作面巷道及上山夾角如圖6所示。

圖6 最大主應(yīng)力與工作面及上山夾角

紅一煤礦采用立井、暗斜井開拓方式，三條暗斜井兼作首采區(qū)三條上山，初期不設(shè)大巷，首采區(qū)在三條暗斜井的南北兩翼布置工作面。按照首采區(qū)開采計劃，近年接續(xù)工作面為1150401工作面（2022.7—2023.4）和1150404工作面（2022.12—2023.9）。

三條暗斜井分別為暗主斜井、暗副斜井與暗回風(fēng)斜井，其中暗主斜井與暗副斜井布置于距離5煤底板約12m的粉砂巖中，暗回風(fēng)斜井沿5煤煤層布置。三條暗斜井空間上平行布置，與最大主應(yīng)力夾角約為37°，最大主應(yīng)力方向?qū)?150404工作面回采巷道穩(wěn)定性存在一定影響。

1150404工作面位于三條暗斜井的南翼，工作面運輸順槽在第二中部車場處開口，工作面在第一中部車場處開口。1150404工作面回采巷道與最大主應(yīng)力夾角約為88°，最大主應(yīng)力方向?qū)?150404工作面回采巷道穩(wěn)定性影響較大。

1150401工作面位于三條暗斜井的北翼，工作面運輸順槽在第一中部車場順槽聯(lián)絡(luò)巷處開口，工作面回風(fēng)順槽在回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷處開口。1150401工作面回采巷道與最大主應(yīng)力夾角約為76°，最大主應(yīng)力方向?qū)?150401工作面回采巷道穩(wěn)定性影響較大。

4.結(jié)論

（1）確定紅一煤礦地應(yīng)力場屬于水平構(gòu)造應(yīng)力場，最大主應(yīng)力的方向為270.61°，最大主應(yīng)力值為20.21MPa。

（2）1150404工作面回采巷道與最大主應(yīng)力夾角約為88°，最大主應(yīng)力方向?qū)?150404工作面回采巷道穩(wěn)定性影響較大；1150401工作面回采巷道與最大主應(yīng)力夾角約為76°，最大主應(yīng)力方向?qū)?150401工作面回采巷道穩(wěn)定性影響較大。