深井开采地应力测试研究及应用.pdf

第 1 期2022 年 8 月铁法科技试验研究技术经验1引言地应力也称原岩初始应力或原岩应力，由岩体自重和内应力等因素组成。当煤矿地下岩体开挖后，原岩地应力随着施工发生变化，应力因扰动重新分布，影响岩体结构上稳定，因此需要进行适当的支护以保持围岩稳定，因此了解地应力是矿井建设的前提。大强煤矿现开采区域为九采区，埋深达 10001200m，施工区域处于“三高一扰动”等复杂的工程地质环境，矿井地压显现明显，伴随着因高地应力造成的巷道大变形破坏现象，威胁井下工人的生命安全以及煤矿的经济效益，针对受冲击地压影响的千米深井而言，测试地应力工作是十分必要。通过测试分析矿井地层主应力方向、大小及对冲击地压的影响，为大强煤矿深部高应力场条件影响下，控制井下煤（岩）巷道相对稳定性提供参数，同时为防冲击地压提供重要的依据。根据大强煤矿工程地质条件，采用套芯应力解除法进行地应力测试。2地应力测量原理及方法2.1地应力测量原理测量原岩地应力通过测试岩体的三维状态获取，用六个分量来表示，如图 1 六个应力分量所示（xy、yz、zx、x、y、z），应力分量是非零值。原始状态应力相对平衡无法测得，只有解除地应力，才能取得原岩地应力值。应力解除是将岩体取出过程中岩体内的弹性值会发生变化，使用空心包体测出应力变化；经过线性虎克定律计算，得出地应力的大小和方向。图 1 六个应力分量2.2地应力测量方案地应力现场量测需要地质钻机，专用钻具，包括锥形钻头、变径接头、取芯管等，空心包体及数字应变仪，施工方案如图 2 所示。1）在选中的测试点，用 4500 型钻机钻进解除孔，开孔直径 133mm，钻孔深度为巷道跨度 8m。深井开采地应力测试研究及应用大强煤矿徐爱国刘磊姜井龙刘宇摘要根据大强煤矿矿井工程地质条件进行了地应力测试方法选择及地应力方案设计，得出了原岩地应力数据，分析了矿区地应力特征及其对巷道的影响，对后期施工提供了可靠有效的施工依据，也对类似地质条件矿井的地应力测试，提供一定的指导意义。关键词地应力测量方法工程应用套芯应力解除法采矿工程窑窑15第 1 期2022 年 8 月铁法科技2）钻进设计深度后换钻头钻出锥形孔，钻进期间保证两个钻孔空心同轴。3）钻机更换变径钻头，即用 133mm 导向钻杆安装长 36mm 的小钻头，钻进 30cm 钻孔，钻孔施工完成后清洗孔壁，清除岩粉便于空心包体与孔壁粘牢。4）空芯包体外侧圆柱塑料面用 800#砂纸打出毛面，按比例把粘结胶注入空芯包体内，用 0.1mm 铅丝锁好推进塞，然后用定向器和推进杆送入钻孔中，测量推进长度，确认空心包体顶部与钻孔底部接触，继续推进使活塞推进 8cm 空心包体安装于小钻孔内。5）空心包体安装后记录初始数据，待 20 小时后环氧树脂固凝固，把推拉杆从钻孔中取出，全站仪测量钻杆方位，坡度规测量出钻孔倾角，空心包体数据线从取芯钻头、钻杆穿出，将钻头、岩芯套筒和钻杆送入孔中底部记录长度，将 YHY18 型智能数字应变仪测量仪与空心包体连接读取三次数据，每小时记录 6 次，相差不超过5 为原岩地应力值。6）应力解除观测，钻杆每钻进 3cm 解除一次应力，停钻后读取三次读数，差值不超过5 即为稳定不再解除。钻取岩芯对岩性分析和描述，然后使用岩芯弹模和泊松比的率定器测定其他参数。图 2应变法应力解除过程示意图2.3地应力分量计算每个应力点的三维应力状态可由选定坐标系 6个分量，与大地坐标系 X、Y、Z 基本相同，但岩层会呈仰角、俯角，只要有了两套坐标系的相对关系和实测地应力的全部分量，通过坐标变换就可得到 X、Y、Z 坐标下的地应力分量，求得主应力的大小和方向，通过在岩体钻孔中安装应变传感器测量孔壁的应变，就可计算出岩体中的应力状态，该计算通过计算机程序计算完成。3工程应用3.1矿井概况大强煤矿井田位于辽河平原西侧，地层以太古界变质岩系构成盆地基底，褶曲构造不发育，断裂构造为主,地层产状平缓倾角为 518，走向为东西近水平，向南倾斜的单斜构造,井田内发育断层八百余条。3.2地应力测点布置地应力测点的选择必须要远离断层，同时避开采空区、断裂发育区、岩石破碎区、应力集中区，测点应布置在多个水平。根据原岩应力测点布置的基本要求，在现有巷道揭露范围内选择了 10 个测点进行原岩应力实测，测点具体布置见图 3。图 3 大强煤矿原岩应力测点布置图3.3原岩应力实测首先开孔使用 133mm 的钻头钻进 8.5m；其窑窑16第 1 期2022 年 8 月铁法科技次在孔内使用变径 36mm 钻头钻进 40cm；最后清洗钻孔，用干燥剂对小孔干燥。为顺利安装应力传感器，在钻孔内安装 75PVC 塑料管，安装 PVC 塑料管的主要目的是便于安装空心包体，粘结剂凝固 24h 后，对岩体进行应力解除取岩心，记录岩性，见图 4。地应力解除距离设定 3cm，钻进 9cm 数值急剧增加，钻进 22cm 达到最大值；钻进 25cm 基本不变，至 32cm 时应变解除完成。地应力解除过程、测量数据处理后，应变数据相关系数为 0.938。DQMK-1 应力计应力解除时曲线如图 5 所示。图 4 DQMK-1 应力解除后岩芯照片图 5 DQMK-1 应力计应力解除曲线通过井下测得各应变片的应变量值，使用专用处理软件计算地应力，计算结果列于附表，DQMK-1测点原岩应力空间分布见图 6。附表 DQMK-1 测点原岩应力实测结果图 6 DQMK-1 测点原岩应力空间分布示意图4原岩应力实测结果分析4.1原岩应力特点根据巷道布置施工 10 个地应力点，实测主应力方位角 177.45182.64区间，应力值 34.8539.38MPa 区间，倾角-10.9710.48，次应力方位角在 63.2669.07，应力值 22.9826.38MPa 区间；最小主应力的方位角集中在 91.1996.68，应力值大小在 16.5721.23MPa。实测水平应力为垂直应力的 1.411.59 倍。4.2地应力对巷道影响的分析施工后最大水平应力会造成围岩应力增加，巷道变形严重稳定性差。如果改变巷道方位，对巷道支护的稳定性具有重要意义。巷道方位的受不同应力集中的影响，相应地巷道状况也会有显著的差别（图 7）。主应力实测（MPa）方位角（）倾角（）滓139.38182.3410.41滓222.8869.0765.05滓321.2396.68-22.40滓424.81图 7 不同掘进方向巷道状况的差异（平面图）窑窑17（下转第 38 页）第一作者简介：徐爱国（1971-），男，高级工程师。2011年毕业于辽宁科技学院煤矿开采专业，现任大强煤矿综维队主任工程师。联系电话：[phone]。首先水平应力与巷道方位平行时对巷道影响最小，巷道顶板较稳定；其次水平应力与巷道掘进方位垂直时对巷道影响最大，对巷道顶板稳定较差；第三水平应力与巷道有一定斜交角度时，一侧出现应力集中另一侧应力释放，集中的一侧应力影响较大，另一侧则较小。围岩强度较低，水平应力会造成顶板破坏的范围在不断加深，即破坏范围向顶板深部逐渐转移。5结论与建议5.1结论最大主应力的方位角在 177.45182.64，应力值大小在 34.8539.38MPa，倾角在-10.9710.48。中间主应力的方位角集中在 63.2669.07，应力值大小在 22.9826.38MPa；最小主应力的方位角在 91.1996.68，应力值为 16.6221.30MPa。经计算水平应力是垂直应力的 1.411.59 倍，实测最大水平主应力为最小水平主应力的 1.852.11 倍。5.2建议在矿井巷道支护设计、冲击地压防治工作中，巷道的掘进方位尽可能与最大水平应力的方位一致，可以消减水平地应力对掘进井巷的破坏。当水平应力大，垂直应力小时，动力现象可能加大，可以对动力区预测，划分为较重危险性区域，加强巷道支护。随着开采的深度加深岩体地应力加大，地应力叠加产生集中区，地应力集中是冲击动力破坏的根源，建议在矿山压力显现严重区布置应力监测传感器，掌握应力集中的动态过程和应力集中程度，为防冲工作提供科学依据。（上接第 17 页）第 1 期2022 年 8 月铁法科技第一作者简介：赵磊（1983-），男，工程师。2011 年毕业于辽宁工程技术大学采矿工程专业，现任大隆矿综掘一队主任工程师。联系电话：[phone]。长 2200m 的巷道投入复修人工成本 145.2 万元，支护成本为 57.86 万元，共计 203.06 万元。采用注浆锚索支护技术的巷道，不仅围岩移进量小，支护安全系数高，同时为巷道施工及维护节省了极大成本。6总结通过采用注浆锚索支护技术在大隆矿东二1504 运顺工作面的实际应用，对小煤柱进行喷浆注浆锚固支护，解决了小煤柱因受采动影响导致巷道变形严重及采空区积水、瓦斯等制约的生产难题，保证了工作面安全生产。为将来遇到类似情况提供宝贵经验。窑窑38