李 濤 陳 剛 秦 濤 蘭永偉 顏廷舜 付乙財(cái)

(1.黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.黑龍江科技大學(xué)工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心)

地應(yīng)力分布對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響分析*

李 濤1陳 剛1秦 濤1蘭永偉1顏廷舜1付乙財(cái)2

(1.黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.黑龍江科技大學(xué)工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心)

利用空心包體地應(yīng)力測(cè)量方法對(duì)開(kāi)灤集團(tuán)東歡坨煤礦進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量分析，得出井田內(nèi)地應(yīng)力的分布規(guī)律，討論了巷道圍巖受地應(yīng)力作用時(shí)的破壞規(guī)律，得出巷道圍巖受力的大小和均勻性均與巷道軸線與最大主應(yīng)力的夾角成正比的結(jié)論，夾角越大，巷道越易破壞，維護(hù)難度越大。

巷道圍巖 地應(yīng)力分布 穩(wěn)定性分析

井下巷道開(kāi)掘?qū)е碌叵略瓗r應(yīng)力失衡，原巖應(yīng)力狀態(tài)破壞后重新達(dá)到平衡狀態(tài)過(guò)程中導(dǎo)致巷道變形，需要外力抵抗巷道變形，即巷道支護(hù)[1-3]。地應(yīng)力的大小決定巷道開(kāi)掘方式和巷道形狀，研究地應(yīng)力場(chǎng)大小、應(yīng)力方向，對(duì)于地下工程是至關(guān)重要的。

唐山塊體四周被4條深斷裂所包圍，南界是寧河—昌黎深斷裂，北界是豐臺(tái)—野雞坨深斷裂，東界是灤縣—樂(lè)亭深斷裂，西界是薊運(yùn)河深斷裂，在形態(tài)上為一走向北東東的菱形塊陷，是一個(gè)強(qiáng)烈活動(dòng)著的斷塊[4-6]。東歡坨煤礦處于該構(gòu)造區(qū)域內(nèi)，礦井動(dòng)力現(xiàn)象明顯，巷道變形嚴(yán)重，利用空心包體地應(yīng)力測(cè)量方法對(duì)其進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，分析礦井的地應(yīng)力場(chǎng)類型及分布規(guī)律，以及地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。

1 測(cè)量方法及結(jié)果

采用鉆孔套芯應(yīng)力解除法，KX-81空芯包體應(yīng)力計(jì)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量。

考慮施工條件和巖石條件都比較好，無(wú)大的地質(zhì)構(gòu)造等因素，井田內(nèi)測(cè)點(diǎn)選擇位于-500 m中石門(mén)第二小川5煤層頂板和-230 m副石門(mén)8煤層頂板，鉆孔及地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1，地應(yīng)力分量見(jiàn)表2。

表1 測(cè)量鉆孔及實(shí)測(cè)地應(yīng)力值

表2 東歡坨礦地應(yīng)力分量

注：地理坐標(biāo)系x軸為東；y軸為北；z軸向上；取壓應(yīng)力為正。

2 地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果分析

2.1 垂直應(yīng)力分布規(guī)律

井田內(nèi)垂直應(yīng)力與深度的變化關(guān)系見(jiàn)圖1。

井田內(nèi)的垂直應(yīng)力分布規(guī)律與E.Hock統(tǒng)計(jì)結(jié)果并無(wú)顯著差異[7]，應(yīng)力值隨開(kāi)采深度增加而增加，區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力屬于正常水平。

2.2 最大主應(yīng)力分布規(guī)律

根據(jù)東歡坨煤礦地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出最大主應(yīng)力隨深度的變化關(guān)系，如圖2所示。

圖1 垂直應(yīng)力與深度的變化關(guān)系

圖2 最大主應(yīng)力與深度的關(guān)系

由圖2可知，礦區(qū)內(nèi)最大主應(yīng)力值隨深度增加而增大，與國(guó)內(nèi)其他礦區(qū)相比，東歡坨礦最大主應(yīng)力高于一般水平[8]，聚集了較高的水平構(gòu)造應(yīng)力。

2.3 最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的關(guān)系

通過(guò)計(jì)算最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的比值，可以得出該礦區(qū)的應(yīng)力方向性是否強(qiáng)烈，各向異性是否明顯。井田內(nèi)地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的比值分別為3.11和2.19，表明最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力相差很大，區(qū)域水平應(yīng)力場(chǎng)顯示出很強(qiáng)的方向性，各向異性明顯。

2.4 最大主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的關(guān)系

井田內(nèi)最大主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值分別為1.90和199，可以看出井田內(nèi)最大主應(yīng)力遠(yuǎn)大于垂直應(yīng)力，故區(qū)內(nèi)水平應(yīng)力起主導(dǎo)作用，控制著整個(gè)區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)。

3 應(yīng)力分析

3.1 地應(yīng)力場(chǎng)類型

通過(guò)分析3個(gè)主應(yīng)力的特征，可以表示出區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)基本類型。彭向峰等分析3個(gè)主應(yīng)力的空間關(guān)系[9]，得出原巖應(yīng)力場(chǎng)包括大地靜力場(chǎng)、大地動(dòng)力場(chǎng)和準(zhǔn)靜水壓力場(chǎng)型。大地靜力場(chǎng)的原巖應(yīng)力主要由上覆巖土體本身自重形成，3個(gè)主應(yīng)力的空間關(guān)系為最大主應(yīng)力接近垂直，中間和最小主應(yīng)力接近水平，這種特征條件下的應(yīng)力場(chǎng)區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)較緩；大地動(dòng)力場(chǎng)特征是水平壓應(yīng)力起主導(dǎo)作用，且應(yīng)力值很大，并且各向異性明顯，與現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)；準(zhǔn)靜水壓力場(chǎng)中巖體的應(yīng)力處于近似各項(xiàng)等壓狀態(tài)。

兩個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的結(jié)果為：最大主應(yīng)力方位角為8.16°，-8.11°，中間主應(yīng)力方位角為85.90°，78.91°，最小主應(yīng)力方位角為9.96°，7.51°，最大和最小主應(yīng)力接近水平，中間主應(yīng)力接近垂直，分別為水平和垂直主應(yīng)力。兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力與γh的比值分別為1.89和1.93，水平應(yīng)力起主導(dǎo)作用，且最大主應(yīng)力數(shù)值較大，各向異性明顯，故確定東歡坨煤礦的應(yīng)力場(chǎng)類型為大地動(dòng)力場(chǎng)。

3.2 地應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性影響分析

分析得出，巷道圍巖穩(wěn)定性與巷道軸線和最大主應(yīng)力的夾角成正比，當(dāng)夾角較大時(shí)，巷道穩(wěn)定性差，巷道易于破壞，且圍巖破壞呈現(xiàn)不均勻性。因此，根據(jù)最大主應(yīng)力方向兼顧工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，綜合考慮選擇最佳巷道軸線方向，是減少巷道變形破壞的有效措施之一。

以東歡坨煤礦-500 m水平巷道為例，測(cè)出最大主應(yīng)力方位角為259°，主應(yīng)力為22.96 MPa，近東西方向，其巷道維護(hù)情況見(jiàn)表3。

表3 巷道維護(hù)狀況預(yù)測(cè)分析

從表4中可以看出，東歡坨煤礦內(nèi)中央采區(qū)平巷軸線與最大主應(yīng)力夾角較大，巷道變形嚴(yán)重，且較難維護(hù)，巷道頂?shù)装鍘r層發(fā)生剪切破壞，進(jìn)而發(fā)生錯(cuò)動(dòng)和底板巖層膨脹，造成圍巖破壞，這與東歡坨礦的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符。因此，東歡坨煤礦的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中要注意支護(hù)材料和錨桿形式，在巷道頂板變形破壞的初期就要提高巷道穩(wěn)定性，易于控制巷道圍巖的后期變形破壞。

4 結(jié) 論

(1)井田內(nèi)垂直應(yīng)力和最大主應(yīng)力都隨著深度的增加而增加，最大主應(yīng)力數(shù)值較大。最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力相差很大，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)出很強(qiáng)的方向性。最大、最小主應(yīng)力為水平應(yīng)力，中間主應(yīng)力為垂直應(yīng)力，最大主應(yīng)力遠(yuǎn)大于垂直應(yīng)力，說(shuō)明水平構(gòu)造應(yīng)力在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)中起主導(dǎo)作用，應(yīng)力場(chǎng)類型為大地動(dòng)力場(chǎng)。

(2)巷道圍巖穩(wěn)定性。巷道軸線與最大主應(yīng)力方向夾角成正比，當(dāng)二者夾角接近垂直時(shí)，巷道的變形破壞最嚴(yán)重；當(dāng)夾角較小時(shí)，巷道圍巖穩(wěn)定性較高。巷道圍巖破壞表現(xiàn)出不均勻性。

(3)東歡坨煤礦在高地應(yīng)力條件下，受最大水平主應(yīng)力作用，巷道頂?shù)装逯饕憩F(xiàn)為剪切破壞，頂?shù)装鍘r層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)和巷道底板巖層膨脹，進(jìn)而造成巷道圍巖破壞。

(4)東歡坨煤礦地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果為以后巷道工程軸線方向的選擇，巷道支護(hù)材料和方式以及錨桿支護(hù)參數(shù)的選取提供了設(shè)計(jì)參據(jù)，提高了東歡坨煤礦井下開(kāi)采的安全性。

[1] 李興東,楊永杰.巷道支護(hù)設(shè)計(jì)決策支持系統(tǒng)的研究[J].礦山壓力與頂板管理，2001(4)：8-10.

[2] 羅超文,李海波,劉亞群.深埋巷道地應(yīng)力測(cè)量及圍巖應(yīng)力分布特征研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010(7)：1418-1423.

[3] 高富強(qiáng).斷面形狀對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬分析[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007(2)：43-46.

[4] 韓宗珠,顏 彬,唐璐璐.渤海及周邊地區(qū)中新生代構(gòu)造演化與火山活動(dòng)[J].海洋湖沼通報(bào)，2008(2)：30-36.

[5] 楊珺珺,孫世誠(chéng),么立敏.唐山大地震近斷層地震效應(yīng)的研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2011(1)：146-149.

[6] 張 抗.華北斷塊區(qū)中生代大型沉積盆地的發(fā)育特征[J].石油與天然氣地質(zhì)，1983(2)：202-208.

[7] Brown E T, Hock E. Trends in relationships between measured in-situ stress and depth[J]. Int.J.Rock Mech.Mining Sci.Geomech.Abstr.,1978,15(2)：211-215.

[8] 彭蘇平，孟召平.礦井工程地質(zhì)理論與實(shí)踐[M].北京：地質(zhì)出版社，2002.

[9] 彭向峰，于雙忠.淮南礦區(qū)原巖應(yīng)力場(chǎng)宏觀類型工程地質(zhì)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998,27(1)：60-63.

*黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(編號(hào)：12533067)。

2015-03-20)

李 濤(1985—)，男，碩士，150022 黑龍江省哈爾濱市松北區(qū)糖廠街1號(hào)。