曹 黨

原巖應(yīng)力測(cè)試的實(shí)踐與建議

曹 黨

介紹了在大同礦區(qū)忻州窯礦所進(jìn)行的原巖應(yīng)力的測(cè)試實(shí)踐，進(jìn)一步說(shuō)明應(yīng)力解除法技術(shù)應(yīng)用的實(shí)際意義。

采礦工程；原巖應(yīng)力；應(yīng)力解除方法

0 引言

煤礦井下在生產(chǎn)開(kāi)拓和開(kāi)采中會(huì)引發(fā)圍巖破壞、支護(hù)變形和產(chǎn)生礦井動(dòng)力現(xiàn)象，引發(fā)這種現(xiàn)象的作用力被稱(chēng)之為地應(yīng)力。地應(yīng)力是影響采礦工程穩(wěn)定性諸多因素中最主要和最根本的因素之一。例如大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司忻州窯煤礦，前些年在開(kāi)拓和開(kāi)采的設(shè)計(jì)和施工中沒(méi)有充分考慮地應(yīng)力影響，其所處區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用影響嚴(yán)重，多次發(fā)生過(guò)較為嚴(yán)重的井下巷道和采場(chǎng)的圍巖坍塌破壞、沖擊地壓等礦井動(dòng)力現(xiàn)象，造成支護(hù)破壞、設(shè)備被砸、水電風(fēng)系統(tǒng)癱瘓，甚至阻斷行人通道，對(duì)生產(chǎn)和安全構(gòu)成了極其危險(xiǎn)的影響，特別是對(duì)其的恢復(fù)困難極大。因此，了解本地區(qū)地應(yīng)力分布的基本特征，分析和研究地應(yīng)力對(duì)采礦的影響，獲得準(zhǔn)確的地應(yīng)力資料，在礦井開(kāi)拓中合理確定巷道最佳斷面形狀和采場(chǎng)合理位置，以及它們的支護(hù)形式、支護(hù)結(jié)構(gòu)和支護(hù)參數(shù)是非常必要的。更重要的是通過(guò)地應(yīng)力的測(cè)試實(shí)施能為今后提供科學(xué)合理的理論依據(jù)、設(shè)計(jì)原則和施工方法。

1 原巖應(yīng)力的有效測(cè)量方法

采用何種方法進(jìn)行原巖應(yīng)力的有效可靠測(cè)量是分析地應(yīng)力的首要問(wèn)題。世界許多國(guó)家進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量方法的研究，發(fā)明了很多方法，但采用比較多的方法主要有應(yīng)力解除法、水壓致裂法和應(yīng)力恢復(fù)法。筆者認(rèn)為實(shí)用性強(qiáng)、可操作性好，準(zhǔn)確率高可靠性又好的方法首選套芯應(yīng)力解除法。應(yīng)力解除法的基本原理是，當(dāng)巖石塊體從受到各個(gè)方向作用力或反作用力的巖體中分離出來(lái)后，巖石會(huì)在自身彈性力的作用下發(fā)生膨脹變形，此刻用應(yīng)變測(cè)量?jī)x測(cè)量巖塊在變形過(guò)程中的三維膨脹變形，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)彈性模量率確定巖塊彈性模量，則由線性虎克定律即可計(jì)算出應(yīng)力解除前巖體中應(yīng)力的大小和方向。2011年8月至2011年9月，在忻州窯煤礦西二、東二盤(pán)區(qū)共設(shè)置了3個(gè)測(cè)試點(diǎn)。具體方法是，在選定要測(cè)量地應(yīng)力的地點(diǎn)首先施工導(dǎo)孔和安裝孔，在安裝孔粘接應(yīng)力傳感器，并用導(dǎo)線與應(yīng)變讀數(shù)儀相連接。隨后，用金剛石硬性材料巖芯套筒將圓柱狀巖芯取出。在實(shí)施取出巖芯全程中，巖體所發(fā)生的應(yīng)力變形量則由應(yīng)變讀數(shù)儀記錄下來(lái)。巖芯與圍巖脫離，巖芯上的應(yīng)力又因解除而重新恢復(fù)到新的平衡應(yīng)力，根據(jù)解除應(yīng)力前和解除應(yīng)力后在應(yīng)變讀數(shù)儀記錄測(cè)得的差值，通過(guò)計(jì)算及其相關(guān)編程軟件計(jì)算出應(yīng)力的大小和方向。

2 應(yīng)力解除法實(shí)測(cè)過(guò)程

3 個(gè)測(cè)點(diǎn)位置是，第一個(gè)測(cè)點(diǎn)（編號(hào)為XZY-1）位于西二盤(pán)區(qū)車(chē)場(chǎng)；第二個(gè)測(cè)點(diǎn)（XZY-2）位于西二人行斜井下；第三個(gè)測(cè)點(diǎn)（XZY-3） 位于東二14-3無(wú)極車(chē)?yán)@道。應(yīng)力解除法實(shí)測(cè)的工藝過(guò)程如下：

①?gòu)南锏辣砻嫦驇r體內(nèi)部打直徑130 mm～150 mm大孔，直至需要測(cè)量巖體應(yīng)力的部位。大孔直徑為下一步即將打的用于安裝探頭的小孔直徑的3倍以上。大孔深度為巷道跨度的2.5倍以上，目的是保證測(cè)點(diǎn)是未受巖體開(kāi)挖擾動(dòng)的原巖應(yīng)力區(qū)。

②用平鉆頭將鉆孔底打磨平整，再用錐形鉆頭鉆出喇叭口，用于定位。喇叭口不僅保證打小鉆孔時(shí)的同心度，又能在接下來(lái)實(shí)施的空心包體應(yīng)變傳感器放入工序中能夠使其順利推入小鉆孔中，因此喇叭口的質(zhì)量是非常重要的。接下來(lái)從定位喇叭口孔底打φ36的同心小孔，孔的深度為200 mm～400 mm。打完小直徑孔之后要用清水反復(fù)沖洗干凈，還可以用丙酮浸泡過(guò)的擦拭頭在小孔中來(lái)回擦洗，以清除小孔里的污物。

③將黏結(jié)劑注入應(yīng)變傳感器的空腔內(nèi)，再用定向安裝桿將應(yīng)變傳感器送入φ36孔中。用力推安裝桿使環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑接觸混合，并向傳感器空腔內(nèi)及其四周流動(dòng)。當(dāng)黏結(jié)劑化學(xué)反應(yīng)結(jié)束形成固化后，小孔內(nèi)的應(yīng)變傳感器和孔壁緊密粘結(jié)在一起。

④20 h后，先將應(yīng)變傳感器的導(dǎo)線電纜從巖芯管、鉆桿及其后部的三通管穿出，接入應(yīng)變讀數(shù)儀中，然后用φ130的薄壁鉆頭繼續(xù)延深大孔，使應(yīng)變傳感器周?chē)膸r石逐漸與圍巖脫離。脫離過(guò)程中，應(yīng)變傳感器所測(cè)得的應(yīng)變值由應(yīng)變讀數(shù)儀自動(dòng)記錄下來(lái)。根據(jù)指令，每進(jìn)尺20 mm～40 mm記錄一次應(yīng)變數(shù)據(jù)。

應(yīng)力解除完成后，將采集器采集和貯存的應(yīng)變數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，再通過(guò)相關(guān)軟件計(jì)算和分析繪制出應(yīng)力解除曲線，即應(yīng)變值隨應(yīng)力解除深度變化的曲線。

依據(jù)測(cè)得的小孔變形或應(yīng)變通過(guò)有關(guān)公式即可求出小孔周?chē)脑瓗r應(yīng)力狀態(tài)，即地應(yīng)力。

圖1 XZY-1測(cè)點(diǎn)應(yīng)力解除曲線

在XZY-1測(cè)點(diǎn)小孔的各個(gè)方向共布置了12個(gè)應(yīng)力片，獲得了一束地應(yīng)力解除曲線，它們?cè)谕粎^(qū)域應(yīng)力參數(shù)略有微小變化，整體變化趨勢(shì)和特征完全一致。為清晰表示例舉應(yīng)力片1的繪制曲線（見(jiàn)圖1），解除起點(diǎn)至解除距離到達(dá)290 mm區(qū)間，曲線變化平緩帶有逐漸增加趨勢(shì)，應(yīng)變隨解除距離的變化幅度不超過(guò)總量的20%，說(shuō)明巖芯套筒未到達(dá)至傳感器位置；當(dāng)解除距離到達(dá)300 mm后，應(yīng)變量在很短的區(qū)間內(nèi)突然增加；至隨后解除距離到達(dá)330 mm后應(yīng)變曲線趨于平緩；解除距離到達(dá)350 mm后，應(yīng)變量基本不變解除結(jié)束。XZY-1測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1。

表1 XZY-1地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果

3 地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果分析

用上述方法分別對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)施地應(yīng)力解除方法測(cè)試，分別獲得了應(yīng)力解除曲線和地應(yīng)力實(shí)測(cè)值表。雖然3個(gè)測(cè)點(diǎn)位置、參數(shù)和施工參數(shù)不一樣，但獲得的3個(gè)應(yīng)力解除曲線的技術(shù)特征卻是一致的，其地應(yīng)力變化量也是一致的，即水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力。最大水平應(yīng)力、最小水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力，以及三者之間的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 地應(yīng)力測(cè)量部分結(jié)果

對(duì)忻州窯礦XZY-1、XZY-2和XZY-3測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，水平最大應(yīng)力為12.72 MPa，水平最小應(yīng)力為9.90 MPa，其變化量達(dá)到了28%；垂直最大應(yīng)力為8.65 MPa，垂直最小應(yīng)力為8.03 MPa，其變化量?jī)H達(dá)到了7%。由此表明原巖應(yīng)力最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，最大水平應(yīng)力的方向?yàn)?NE75°～NE83°。

忻州窯煤礦井田總體為一向斜構(gòu)造形態(tài)，內(nèi)褶皺、斷層構(gòu)造復(fù)雜，小斷層多集中在向斜軸的兩翼，主斷裂呈右旋雁型排列，其走向錯(cuò)位處有近平行交錯(cuò)段，在此段間有很多走向?yàn)镹E方向的羽狀小斷裂。地層走向總體為北東，向南稍轉(zhuǎn)北西；地層傾向以向斜軸為中心，東部?jī)A向北西，西部?jī)A向北東。在主向斜軸的西翼，則為一系列NE向小型褶皺區(qū)。向斜軸消失端在雁列主斷裂的最大落差處，背斜消失端在主斷層落差較小處或雁列錯(cuò)開(kāi)處，這些構(gòu)造形跡無(wú)疑是受SE-NW主壓應(yīng)變的結(jié)果，表現(xiàn)出該煤田主要地質(zhì)應(yīng)力是SE-NW水平擠壓應(yīng)力，屬燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期。這種結(jié)構(gòu)特征表明，在解除應(yīng)力后其原巖處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。尤其是堅(jiān)硬頂板易于積蓄能量，在煤層厚度突然變化，煤層分岔、薄化或尖滅、傾角變化的部位出現(xiàn)支撐壓力增高，同時(shí)開(kāi)采形成高應(yīng)力區(qū)這幾個(gè)因素共同形成了忻州窯礦沖擊地壓發(fā)生的原因。

忻州窯礦西二盤(pán)區(qū)車(chē)場(chǎng)、西二盤(pán)區(qū)人行斜井下、東二14-3無(wú)極車(chē)?yán)@道附近最大主應(yīng)力方向分別為330.0°、331.8°和329.6°，且近于水平，傾角分別為-0.9°、-1.9°和0.7°，說(shuō)明忻州窯礦西二一斜井附近測(cè)點(diǎn)最大水平擠壓應(yīng)力受NE-SW的擠壓應(yīng)力影響，其方向由SE-NW向SSE-NNW有轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，該井田是對(duì)燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期地質(zhì)應(yīng)力SE-NW水平擠壓應(yīng)力的繼承和發(fā)展，并以發(fā)展為主。在此區(qū)域內(nèi)開(kāi)拓巷道和布置工作面易發(fā)生片幫和地鼓。實(shí)測(cè)的垂直應(yīng)力大于按照上覆巖層厚度和容重計(jì)算的垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.47～1.51倍，實(shí)測(cè)的最大水平主應(yīng)力為最小水平主應(yīng)力的1.12～1.45倍。水平應(yīng)力的增加會(huì)導(dǎo)致工作面超前支撐壓力的增大，而且超前支撐壓力的影響范圍同時(shí)也在擴(kuò)大，說(shuō)明工作面前方發(fā)生沖擊破壞的區(qū)域逐漸擴(kuò)大。水平應(yīng)力的增加會(huì)使此處的應(yīng)力峰值增大，峰值位置向煤層內(nèi)部轉(zhuǎn)移，發(fā)生沖擊破壞的煤體深度逐漸擴(kuò)大。

4 建議

通過(guò)原巖應(yīng)力測(cè)試及其他方法應(yīng)用的分析，忻州窯礦9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)煤層具有中等以上沖擊傾向，有80%的煤巖沖擊動(dòng)力失穩(wěn)事故受上層煤柱的影響，煤巖沖擊動(dòng)力失穩(wěn)事故發(fā)生在巷道煤柱，表現(xiàn)為巷道煤幫突然猛烈拋出。再通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，得到的結(jié)果是鄰空開(kāi)采時(shí)，在工作面前方7.5 m到10 m的范圍內(nèi)最容易發(fā)生沖擊失穩(wěn)。同時(shí)，在護(hù)巷煤柱中，工作面前方14 m～20 m的范圍同樣是發(fā)生沖擊失穩(wěn)的危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)對(duì)此類(lèi)現(xiàn)象采取相應(yīng)措施。

Practice and Recommendations of the Original Rock Stress Test

Cao Dang

Introduces the original rock stress test in Xinzhou mine of Datong mining area and further describes the practical significance of the stress relief technology.

mining engineering;situ rock stress;stress relieving methods

TD311

B

1000-4866（2012）02-0023-03

曹黨，男，1972年出生，雁北煤炭工業(yè)學(xué)校（地下采煤專(zhuān)業(yè)）畢業(yè)，現(xiàn)在大同煤礦集團(tuán)同生公司安監(jiān)站工作，助理工程師。

2012-01-05

2012-02-23