康紅普，司林坡，張　曉

(1．煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采研究分院，北京　100013;2．天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京　100013;3．煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100013)

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淺部煤礦井下地應(yīng)力分布特征研究及應(yīng)用

康紅普1，2，3，司林坡1，2，3，張曉1，2，3

(1．煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采研究分院，北京100013;2．天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013;3．煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100013)

摘要:采用煤礦井下小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置，在山西、陜西、內(nèi)蒙古、寧夏、新疆等5省(自治區(qū))的10余個(gè)淺部煤礦區(qū)，進(jìn)行了88個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)量，最淺測(cè)點(diǎn)的埋深僅為38 m。根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)，分析了淺部煤礦井下地應(yīng)力分布特征與變化趨勢(shì)，并與深部煤礦進(jìn)行了比較。通過(guò)實(shí)例分析，介紹了地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果在淺部煤礦井下工程中的應(yīng)用情況。淺部煤礦井下地應(yīng)力受多種因素影響，測(cè)量數(shù)據(jù)離散性很大，隨測(cè)點(diǎn)埋深的變化規(guī)律不明顯;地應(yīng)力場(chǎng)以σH＞σh＞σV型為主，水平應(yīng)力占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值主要集中在1～3之間;最小水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值大部分在0．5～2．0;平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值大多處于1.0～2.5;最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差同垂直主應(yīng)力的比值離散性較大，最大值超過(guò)2。將地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用于淺部煤礦煤柱尺寸優(yōu)化、錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，在保證巷道安全與支護(hù)效果的前提下，提高了煤炭資源采出率，降低了巷道支護(hù)成本。

關(guān)鍵詞:煤礦;淺部;地應(yīng)力測(cè)量;水壓致裂;應(yīng)力分布特征

康紅普，司林坡，張曉．淺部煤礦井下地應(yīng)力分布特征研究及應(yīng)用［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2016，41(6):1332－1340．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2016．0541

Kang Hongpu，Si Linpo，Zhang Xiao．Characteristics of underground in-situ stress distribution in shallow coal mines and its applications ［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1332－1340．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2016．0541

煤炭開(kāi)采中涉及的礦井開(kāi)拓部署、巷道布置與支護(hù)設(shè)計(jì)，采煤方法與工藝，采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)特征、巖層運(yùn)動(dòng)與破壞規(guī)律及采場(chǎng)巖層控制，沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災(zāi)害的機(jī)理與防治，均與煤巖層中的地應(yīng)力有密切關(guān)系。弄清煤礦井下地應(yīng)力分布規(guī)律對(duì)實(shí)現(xiàn)安全、高效開(kāi)采具有重要意義。

我國(guó)西北部地區(qū)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，其中淺部煤礦分布比較廣泛，有的礦井開(kāi)采深度僅為幾十米。所謂淺部礦井已經(jīng)有不同的定義，如有的學(xué)者認(rèn)為埋深不超過(guò)150 m，基巖層與載荷層厚度之比小于1，來(lái)壓有明顯動(dòng)載現(xiàn)象的為淺埋煤層［1］。本文將淺部礦井定義為:埋深不超過(guò)200 m，采用上覆巖層重量估算的垂直應(yīng)力不超過(guò)5 MPa。

與中、深部煤礦相比，淺部礦井長(zhǎng)壁工作面普遍出現(xiàn)臺(tái)階下沉，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈［1－2］。淺部煤礦開(kāi)采呈現(xiàn)的獨(dú)特礦壓顯現(xiàn)特征與地應(yīng)力、巖層性質(zhì)與結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)，因此，測(cè)量與研究淺部煤礦井下地應(yīng)力大小與分布特征，對(duì)優(yōu)化淺部煤礦巷道布置與支護(hù)參數(shù)，揭示采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)與破壞特征、圍巖與支架相互作用關(guān)系等具有重要作用。

國(guó)內(nèi)外有多種地應(yīng)力測(cè)量方法［3－5］，但用于煤礦井下的地應(yīng)力測(cè)量方法主要是應(yīng)力解除法與水壓致裂法［6］。應(yīng)力解除法主要采用空心包體應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)量，而對(duì)于水壓致裂法，煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采研究分院開(kāi)發(fā)研制的小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置得到廣泛應(yīng)用，獲得了大量寶貴的煤礦井下地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)［7－10］。

到目前為止，采用小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置，共完成淺部煤礦地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)88個(gè)，分布在潞安、晉城、西山、汾西、平朔、神東、伊泰、寧煤及新疆潞新等礦區(qū)，涉及山西、陜西、內(nèi)蒙古、寧夏、新疆5省(自治區(qū))。地應(yīng)力測(cè)量深度最淺僅為38 m，煤層條件從近水平煤層到傾斜煤層;煤巖體強(qiáng)度從軟弱、中等，到堅(jiān)硬類(lèi)型，具有較好的代表性。根據(jù)井下地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)，有些學(xué)者對(duì)本礦區(qū)井下地應(yīng)力分布特征進(jìn)行了研究，取得一些初步研究成果［11－13］。

本文基于淺部煤礦井下地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析淺部煤礦井下地應(yīng)力場(chǎng)分布特征與規(guī)律，地應(yīng)力主要影響因素，并與深部煤礦井下地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，揭示淺部與深部煤礦井下地應(yīng)力分布的差別。最后通過(guò)實(shí)例分析，介紹淺部煤礦井下地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果在煤柱尺寸優(yōu)化、巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1　淺部煤礦井下地應(yīng)力測(cè)量

1.1地應(yīng)力測(cè)量方法與儀器

在煤礦井下巷道中采用水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量。鉆孔在巷道頂板中部垂直向上布置，測(cè)量水平面上的最大與最小水平主應(yīng)力。垂直應(yīng)力由上覆巖層自重估算得出。為測(cè)得原巖應(yīng)力，測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)避開(kāi)采煤工作面周?chē)蓜?dòng)應(yīng)力影響和掘巷引起的巷道圍巖應(yīng)力重新分布區(qū)域。

地應(yīng)力測(cè)量?jī)x器采用煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采研究分院開(kāi)發(fā)的SYY－56型小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置，如圖1所示。該測(cè)量裝置由小孔徑封隔器、印模器與定向儀、高壓泵、儲(chǔ)能器及數(shù)據(jù)采集分析裝置等組成。測(cè)量鉆孔直徑為56 mm，鉆孔深度根據(jù)巷道具體條件確定，一般為20～30 m。

1.2地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

淺部煤礦井下地應(yīng)力測(cè)量部分結(jié)果見(jiàn)表1，其中H為測(cè)點(diǎn)埋深;σV，σH，σh分別為垂直主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力;Δσ為最大與最小主應(yīng)力之差;k，k1，k2分別為平均水平主應(yīng)力(最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的平均值)、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值;k3為最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的比值;k4為最大和最小水平主應(yīng)力差值與垂直應(yīng)力的比值;α為最大水平主應(yīng)力方向。圖2為地應(yīng)力分布的散點(diǎn)圖。

2　淺部煤礦井下地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果分析

2.1地應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型及大小

88個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，最大水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)有84個(gè)，占總測(cè)點(diǎn)的95.5%，水平應(yīng)力占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，屬于典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型。進(jìn)一步細(xì)分，存在3種應(yīng)力場(chǎng):

圖1　小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)Fig.1　Hydraulic fracturing in-situ stress measurement unit with small borehole

表1　淺部煤礦井下地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table 1　In-situ stress measurement results in shallow coal mines

續(xù)表

序號(hào)　　礦名　　測(cè)點(diǎn)位置　H/ m σV/ MPa σH/ MPa σh/ MPa Δσ/ MPa　k　k1　k2　k3　k4　　α 29　　潞安開(kāi)拓煤業(yè)　　西軌道上山　78　1.95　4.93　2.74　2.19　1.97　2.53　1.41　1.80　1.12　N88.8°W 30　　潞安潞寧　　膠帶下山　175　4.38　14.61　7.94　6.67　2.57　3.34　1.81　1.84　1.52　N8.9°W 31　潞安孟家窯煤業(yè)　211回風(fēng)石門(mén)　174　4.35　8.60　4.67　3.93　1.53　1.98　1.07　1.84　0.90　N30.1°W 32　　潞安上莊礦　3－1采區(qū)軌道巷　193　4.83　8.88　5.04　3.84　1.44　1.84　1.04　1.76　0.80　N51.8°E 33　　潞安潞新二礦　　東擴(kuò)N4303運(yùn)輸巷　192　4.80　10.00　5.39　4.61　1.60　2.08　1.12　1.86　0.96　N27.7°E 34　　沁新新超礦　90102回風(fēng)巷　93　2.33　6.77　3.55　3.22　2.22　2.91　1.53　1.91　1.38　N66.2°W 35　　沁新新達(dá)礦　　一采區(qū)運(yùn)輸巷　84　2.10　7.25　3.82　3.43　2.64　3.45　1.82　1.90　1.63　N41.6°E 36　　伊泰大地精礦　1302回風(fēng)巷　38　0.95　3.60　2.20　1.40　3.05　3.79　2.32　1.64　1.47　N18.9°W 37　　伊泰大地精礦　3301回風(fēng)巷　59　1.48　4.07　2.58　1.49　2.25　2.75　1.74　1.58　1.01　N52.1°E 38　　伊泰寶山礦　6201回風(fēng)巷　111　2.78　5.30　2.70　2.60　1.44　1.91　0.97　1.96　0.94　N63.6°W 39　　陜西何家塔礦　　一采區(qū)輔助運(yùn)輸巷　187　4.68　11.50　6.37　5.13　1.91　2.46　1.36　1.81　1.10　N54.6°W 40　　陜西何家塔礦　50104回風(fēng)巷一聯(lián)巷　189　4.73　11.86　6.20　5.66　1.91　2.51　1.31　1.91　1.20　N65.0°W

圖2　淺部煤礦井下地應(yīng)力散點(diǎn)分布Fig.2　Scatter diagram of in-situ stress distribution in shallow coal mines

(1)σH＞σV＞σh型，共31個(gè)測(cè)點(diǎn)，占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的35.2%。

(2)σH＞σh＞σV，共 53個(gè)測(cè)點(diǎn)，占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的60.2%。

(3)σV＞σH＞σh，共4個(gè)測(cè)點(diǎn)，占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的4.5%。

由此可見(jiàn)，在淺部煤礦井下地應(yīng)力場(chǎng)中，大部分情況下，最大水平主應(yīng)力為最大主應(yīng)力，垂直應(yīng)力為最小主應(yīng)力，最小水平主應(yīng)力為中間主應(yīng)力。

在全部測(cè)點(diǎn)中，最大應(yīng)力值為14.61 MPa，最小值為0.95 MPa。最大主應(yīng)力≥10 MPa的有13個(gè)測(cè)點(diǎn)，5～10 MPa之間有54測(cè)點(diǎn)，小于5 MPa的有21個(gè)測(cè)點(diǎn)。所測(cè)淺部煤礦井下地應(yīng)力最大值85%屬于低地應(yīng)力值(0～10 MPa)。

由于地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)分布在5個(gè)省(自治區(qū))的多個(gè)礦區(qū)，因此，最大水平主應(yīng)力方向分布呈多變狀態(tài)。

2.2地應(yīng)力值隨埋深的變化規(guī)律

從圖2看出，水平應(yīng)力總體上隨著埋深增加有增大的趨勢(shì)，但由于各礦區(qū)地質(zhì)條件、巖石性質(zhì)差異較大，而且淺部煤礦井下地應(yīng)力場(chǎng)受地形、地表剝蝕、風(fēng)化、溫度、地下水等的影響作用更為顯著，導(dǎo)致地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)離散性很大，特別是最大水平主應(yīng)力的離散范圍最大。在88個(gè)測(cè)點(diǎn)中，埋深最淺的為38 m，小于100 m埋深的有15個(gè)測(cè)點(diǎn)，僅有1個(gè)測(cè)點(diǎn)為σH＞σV＞σh型，其余14個(gè)測(cè)點(diǎn)為 σH＞σh＞σV型;100! 150 m有27個(gè)測(cè)點(diǎn)，有1個(gè)測(cè)點(diǎn)為σV＞σH＞σh型，8個(gè)測(cè)點(diǎn)為σH＞σV＞σh型，18個(gè)測(cè)點(diǎn)為σH＞σh＞σV型; 150～200 m有46個(gè)測(cè)點(diǎn)，有3個(gè)測(cè)點(diǎn)為σV＞σH＞σh型，22個(gè)測(cè)點(diǎn)為σH＞σV＞σh型，21個(gè)測(cè)點(diǎn)為σH＞σh＞σV型?？梢?jiàn)，即使在淺部，隨著埋深增加，地應(yīng)力場(chǎng)有逐步從σH＞σh＞σV型向 σH＞σV＞σh型轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

2.3最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值隨埋深的

變化規(guī)律

最大水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的比值(側(cè)壓比)隨埋深的變化如圖3所示，不同側(cè)壓比的分布如圖4所示。

圖3　最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力比值隨埋深的變化Fig.3　Ratio of maximum horizontal principal stresses to vertical principal stresses vs depth

圖3表明最大水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的比值k1的離散性很大，埋深小于100 m時(shí)k1的離散范圍最大，隨著埋深增加，k1的離散范圍有逐漸減小的趨勢(shì)。

圖4　最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力比值的分布Fig.4　Distribution of ratio of maximum horizontal principal stresses to vertical principal stresses

在88個(gè)測(cè)點(diǎn)中，k1最小值為0.72，最大值為4.66。k1＜1的測(cè)點(diǎn)共4個(gè)，占4.5%;1＜k1＜2的測(cè)點(diǎn)共有43個(gè)，占48.9%;2＜k1＜3的測(cè)點(diǎn)共有28個(gè)，占31.8%;3＜k1＜4的點(diǎn)共有11個(gè)，占12.5%;k1＞4的測(cè)點(diǎn)共有2個(gè)。k1值80%以上集中在1～3。埋深小于100 m的測(cè)點(diǎn) k1普遍大于 2.5;埋深在 100～150 m之間的測(cè)點(diǎn)k1多數(shù)集中在1.5～3.0;埋深大于150 m的測(cè)點(diǎn)k1多數(shù)集中在1～2.5。可見(jiàn)，隨著測(cè)點(diǎn)埋深的增加，k1的離散性和數(shù)值均有減小的趨勢(shì)。

2.4最小水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值隨埋深的變化規(guī)律

最小水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值k2隨埋深的變化如圖5所示。與k1的分布類(lèi)似，k2也具有顯著的離散性，但離散范圍小于k1，而且隨著埋深增加，k2的離散范圍逐漸減小。

圖5　最小水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力比值隨埋深的變化Fig.5　Ratio of minimum horizontal principal stresses to vertical principal stresses vs depth

在所有測(cè)點(diǎn)中，k2最小值為 0.40，最大值為2.74。k2＜0.5的測(cè)點(diǎn)共2個(gè);0.5＜k2＜1.0的測(cè)點(diǎn)共有32個(gè)，占36.4%;1.0＜k2＜1.5的測(cè)點(diǎn)共有35個(gè)，占39.8%;1.5＜k2＜2.0的點(diǎn)共有15個(gè)，占17.0%;k2＞2的測(cè)點(diǎn)共有4個(gè)。k2值90%以上集中在0.5～2.0。埋深小于100 m的測(cè)點(diǎn)k2普遍大于1.5;埋深在100～150 m的測(cè)點(diǎn)k2多數(shù)集中在1～2;埋深大于150 m的測(cè)點(diǎn)k2多數(shù)集中在0.5～1.5。隨埋深增加，k2的離散性和數(shù)值均有減小的趨勢(shì)。

2.5最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的比值隨埋深的變化規(guī)律

最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的比值k3隨埋深的變化如圖6所示。與 k1，k2的分布規(guī)律不同，k3集中在一個(gè)比較狹窄的分布范圍內(nèi)，而且與埋深的關(guān)系不明顯。

圖6　最大與最小水平主應(yīng)力比值隨埋深的變化Fig.6　Ratio of maximum horizontal principal stresses to minimum horizontal principal stresses vs depth

在88個(gè)測(cè)點(diǎn)中，k3最小為 1.11，最大為1.98。k3＜1.5的有7個(gè)測(cè)點(diǎn)，占8%;k3介于1.5! 2.0的共81個(gè)測(cè)點(diǎn)，占92%?？梢?jiàn)，k3絕大部分集中在1.5～2.0。

根據(jù)傳統(tǒng)水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量計(jì)算公式，可得出計(jì)算k3的表達(dá)式為(不考慮孔隙壓力)

其中，Pr為破裂重張壓力，MPa。由于Pr大于瞬時(shí)關(guān)閉壓力Ps，即σh，因此，根據(jù)式(1)知k3＜2。

2.6最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差與垂直主應(yīng)力的

比值隨埋深的變化規(guī)律

最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差與巖體中的剪應(yīng)力密切相關(guān)，其與垂直主應(yīng)力的比值k4如圖7所示。

圖7　最大與最小主應(yīng)力之差與垂直主應(yīng)力比值隨埋深的變化Fig.7　Ratio of difference between maximum and minimum principal stresses to vertical principal stress vs depth

與k1，k2的分布類(lèi)似，k4的離散性也很大，但離散范圍明顯小于k1，與k2比較接近。埋深小于100 m的測(cè)點(diǎn)k4分布范圍大，離散性大。隨著埋深增加，k4的離散范圍逐漸減小。

在所有測(cè)點(diǎn)中，k4最小值為 0.22，最大值為2.07。k4＜0.5的測(cè)點(diǎn)共13個(gè)，占14.8%;0.5＜k4＜1的測(cè)點(diǎn)共有46個(gè)，占52.3%;1.0＜k4＜1.5的測(cè)點(diǎn)共有21個(gè)，占23.9%;1.5＜k4＜2.0的測(cè)點(diǎn)共有7個(gè)，占8.0%;k4＞2的測(cè)點(diǎn)僅有1個(gè)。k4值75%以上集中在0.5～1.5。

k4越大，巖體中的剪應(yīng)力越大，發(fā)生剪切破壞的可能性也越大。有利的一面是淺部煤礦井下地應(yīng)力值本身不大，即使k4較大，但剪應(yīng)力值不一定很大。

2.7平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值隨埋深的

變化規(guī)律

平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值k隨埋深的變化規(guī)律如圖8所示。與k1，k2類(lèi)似，k的離散性也很大，而且埋深越小，k的分布越離散，其離散范圍介于k1，k2之間。隨著埋深增加，離散范圍逐漸減小。

圖8　平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力比值隨埋深的變化Fig.8　Ratio of mean horizontal principal stresses to vertical principal stresses vs depth

88個(gè)測(cè)點(diǎn)中，k最小值為 0.57，最大值為3.70。k＜1的測(cè)點(diǎn)共14個(gè)，占15.9%;1＜k＜2的測(cè)點(diǎn)共52個(gè)，占 59.1%;2＜k＜3的測(cè)點(diǎn)共 20個(gè)，占22.7%;k＞3的測(cè)點(diǎn)共2個(gè)。k值大部分集中在1.0～2.5。

參考回歸分析平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力比值隨埋深變化規(guī)律的常用方法［14］，得到所測(cè)淺部煤礦k值表達(dá)式為

由于地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的離散性很大，因此，圖8中回歸曲線(xiàn)的相關(guān)性比較低，這也是淺部煤礦井下地應(yīng)力場(chǎng)分布的顯著特點(diǎn)。

2.8淺部與深部煤礦井下地應(yīng)力分布特征比較

與深部煤礦井下地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果相比［7，15－16］，淺部煤礦井下地應(yīng)力分布有以下特征:

(1)淺部煤礦地應(yīng)力場(chǎng)以σH＞σh＞σV型為主，水平應(yīng)力占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。深部煤礦地應(yīng)力場(chǎng)以σV＞σH＞σh，σH＞σV＞σh型為主，一些深部煤礦以垂直應(yīng)力為主。

(2)與深部煤礦相比，淺部煤礦地應(yīng)力分布受地形、地表剝蝕及溫度等多種因素的影響比較明顯，導(dǎo)致地應(yīng)力值的離散性大，隨埋深變化的規(guī)律性不明顯。

(3)淺部煤礦最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值分布范圍廣，數(shù)值大，大部分集中在1～3之間。深部煤礦該比值分布范圍窄，數(shù)值相對(duì)較小，大部分在0.6～1.5。

(4)淺部煤礦平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值離散范圍大，數(shù)值高，大部分在1.0～2.5。深部煤礦該比值變化范圍小，數(shù)值相對(duì)較低，大部分在0.5～1.2，而且隨著埋深增加，比值有趨向一定值的趨勢(shì)。

3　單孔應(yīng)力測(cè)量結(jié)果及分析

為了解距巷道頂板不同深度的圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，在陜西何家塔煤礦一采區(qū)輔助運(yùn)輸巷、50104回風(fēng)巷一聯(lián)巷頂板進(jìn)行了單孔、鉆孔不同深度的多次水壓致裂應(yīng)力測(cè)量。兩條巷道均沿煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，煤層厚度約為3 m。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。由于鉆孔垂直巷道頂板向上布置，表中巷道埋深為頂板表面的深度，因此，測(cè)點(diǎn)埋深為巷道埋深與測(cè)量深度的差值。兩個(gè)鉆孔頂板巖層應(yīng)力分布如圖9所示。應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明:

(1)巷道頂板巖層水平應(yīng)力總體上隨著鉆孔深度增加不斷增大，當(dāng)鉆孔深度達(dá)到一定值時(shí)，最大、最小水平主應(yīng)力趨于穩(wěn)定。對(duì)于一采區(qū)輔助運(yùn)輸巷鉆孔該值為12 m左右，而50104回風(fēng)巷一聯(lián)巷為13 m左右。巷道寬度為5 m，高度為3.2 m，外接圓半徑為3 m?？梢?jiàn)，兩個(gè)鉆孔應(yīng)力趨于穩(wěn)定的深度均超過(guò)巷道外接圓半徑的4倍，可以認(rèn)為該處受巷道開(kāi)挖的影響已經(jīng)不明顯，測(cè)量值可作為原巖應(yīng)力值。在離巷道頂板表面較近的位置，受巷道開(kāi)挖影響明顯，水平應(yīng)力顯著降低，而且最大水平主應(yīng)力的降低幅度大于最小水平主應(yīng)力。

(2)巖性和巖層強(qiáng)度對(duì)水平應(yīng)力有明顯影響。一般情況下，巖層強(qiáng)度與剛度越高，水平應(yīng)力越大。如一采區(qū)輔助運(yùn)輸巷鉆孔中，處于7.5 m深度的中砂巖，比其上下附近的中砂巖強(qiáng)度高，該處的水平應(yīng)力也明顯較大，甚至高于10 m處粉砂巖中的水平應(yīng)力。在50104回風(fēng)巷一聯(lián)巷鉆孔中，位于4.3 m處的中砂巖，抗壓強(qiáng)度比位于其上的粉砂巖高1/3左右，其水平應(yīng)力高于10.1 m處的粉砂巖。

(3)最大水平主應(yīng)力方向分布。同一鉆孔中，最大水平主應(yīng)力方向測(cè)量結(jié)果比較一致。一采區(qū)輔助運(yùn)輸巷鉆孔最大水平主應(yīng)力方向的平均值為N42.7°W，與該值的最大偏差為11.9°;50104回風(fēng)巷一聯(lián)巷鉆孔最大水平主應(yīng)力方向的平均值為N60.5°W，與該值的最大偏差為10.6°。2個(gè)鉆孔的最大偏差均在15°范圍內(nèi)。

圖9　巷道圍巖應(yīng)力隨鉆孔深度的變化Fig.9　Stress in rocks surrounding an entry vs borehole depth

表2　何家塔煤礦單孔應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table 2　Stress measurement results in a single borehole in the Hejiata Coal Mine

4　應(yīng)用實(shí)例

4.1試驗(yàn)點(diǎn)地質(zhì)條件與巷道變形狀況

試驗(yàn)點(diǎn)位內(nèi)蒙古伊泰寶山煤礦6302工作面回風(fēng)巷，埋深約為100 m。工作面開(kāi)采6號(hào)煤層，平均厚度為2.3 m。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度3.0 m左右，基本頂為細(xì)砂巖，厚度5 m左右。巷道斷面為矩形，寬度5 m，高度2.7 m。煤柱寬度為20 m。

在寶山煤礦井下進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為(表1):最大水平主應(yīng)力5.30 MPa，最小水平主應(yīng)力為2.70 MPa，垂直應(yīng)力為2.78 MPa。礦區(qū)總體以水平應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹°63.6W。直接頂砂質(zhì)泥巖平均單軸抗壓強(qiáng)度為31.6 MPa，煤層平均單軸抗壓強(qiáng)度為19.8 MPa。

回風(fēng)巷原支護(hù)采用樹(shù)脂錨桿、錨索支護(hù)。錨桿桿體為直徑18 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2.0 m，拉斷力105 kN，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固。采用鋼筋托梁與金屬網(wǎng)護(hù)頂。錨桿排距1 m，每排5根錨桿，間距1.1 m。錨索索體為直徑15.24 mm的鋼絞線(xiàn)，長(zhǎng)度5.3 m。每排 1根，布置在巷道中部，排距為2.0 m。兩幫不支護(hù)。

回風(fēng)巷采用上述支護(hù)方案后，掘進(jìn)期間巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏繛?3 mm，煤柱幫最大位移量為12 mm。錨桿、錨索受力普遍很低，巷道圍巖完整、穩(wěn)定。經(jīng)歷鄰近工作面回采動(dòng)壓影響后，回風(fēng)巷頂?shù)装逡平吭黾恿?4 mm，達(dá)到57 mm;煤柱幫位移量增加了12 mm，達(dá)到24 mm。錨桿、錨索受力雖然有所增加，但仍遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到桿體的屈服載荷。整體來(lái)看，巷道頂板與煤柱在受到鄰近工作面動(dòng)壓影響后，沒(méi)有出現(xiàn)明顯變形與破壞，巷道穩(wěn)定性好［17］。因此，無(wú)論是煤柱寬度還是錨桿支護(hù)參數(shù)均應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。

4.2煤柱寬度優(yōu)化

地應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果表明，試驗(yàn)點(diǎn)地應(yīng)力比較小，而煤層、巖層雖然強(qiáng)度不高，但比較完整，且泥巖、煤層抗壓強(qiáng)度與最大水平主應(yīng)力的比值達(dá)6.0，3.7。為了進(jìn)一步研究煤柱寬度對(duì)回風(fēng)巷圍巖變形的影響，優(yōu)化煤柱寬度，采用FLAC3D軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬［18］。根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、巷道周?chē)鷰r層分布與物理力學(xué)性質(zhì)、巷道與工作面幾何參數(shù)等建立數(shù)值模型，模擬煤柱寬度8，12，15及18 m，受鄰近工作面和本工作面采動(dòng)作用下回風(fēng)巷圍巖及煤柱位移及塑性破壞區(qū)分布。

巷道掘進(jìn)期間變形很小。受到鄰近工作面采動(dòng)作用后，寬度8 m煤柱巷道頂板下沉達(dá)285 mm，煤柱側(cè)幫位移達(dá)317 mm，圍巖變形破壞比較嚴(yán)重。隨著煤柱寬度增加，圍巖位移及破壞范圍不斷減小。煤柱寬度12 m時(shí)，頂板下沉、煤柱側(cè)幫位移分別為150，133 mm，分別降低47%，58%。之后，再增加煤柱寬度，圍巖位移降低幅度變得不明顯。

當(dāng)受到本工作面采動(dòng)作用后，8 m煤柱巷道頂板下沉、煤柱側(cè)幫位移分別增加325，357 mm;12 m煤柱巷道頂板下沉、煤柱側(cè)幫位移分別增加158，195 mm，后者比前者分別降低51%，45%。當(dāng)煤柱寬度為15 m時(shí)，頂板下沉、煤柱側(cè)幫位移分別增加148，184 mm。與12 m寬度煤柱相比，雖然15 m寬度煤柱巷道圍巖位移有所降低，但降低幅度不大。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合井下實(shí)際情況，確定6203工作面煤柱寬度從原來(lái)的20 m減小到12 m。

井下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，經(jīng)歷6203鄰近工作面及本工作面回采動(dòng)壓影響后，絕大部分地段12 m煤柱穩(wěn)定性良好，煤柱無(wú)支護(hù)，表面平整，基本沒(méi)有出現(xiàn)片幫。僅有局部地段受硐室的影響，煤柱表面出現(xiàn)片幫，只需補(bǔ)打錨桿即可保持煤柱穩(wěn)定?？梢?jiàn)，將煤柱寬度減小到12 m是合理的，完全可以保證回風(fēng)巷安全使用。同時(shí)，推進(jìn)長(zhǎng)度2 000 m的工作面可減少煤炭資源損失超過(guò)5萬(wàn)t。

4.3錨桿與錨索支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

基于地應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果，采用數(shù)值模擬并結(jié)合井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)回風(fēng)巷支護(hù)效果及主要影響因素進(jìn)行了分析，建議對(duì)回風(fēng)巷錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，巷道支護(hù)布置如圖10所示。

圖10　寶山煤礦回風(fēng)巷錨桿支護(hù)布置Fig.10　Rock bolting layout for a tailgate in Baoshan Coal Mine

①錨桿長(zhǎng)度從2 m減小至1.8 m，錨固長(zhǎng)度也相應(yīng)減小。②錨索長(zhǎng)度從5.3 m減小至4.3 m。③錨桿排距從1 m增加到1.2 m。④錨索排距從2 m增加到4 m。⑤煤柱一般情況下不支護(hù)。在局部破碎地段，采用錨桿、鋼筋托梁與金屬網(wǎng)支護(hù)。

5　結(jié)　　論

(1)淺部煤礦井下地應(yīng)力由于受地質(zhì)條件、巖石性質(zhì)及地形、地表剝蝕、風(fēng)化、溫度等多種因素的影響，導(dǎo)致地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)離散性很大，地應(yīng)力值隨測(cè)點(diǎn)埋深的變化規(guī)律不明顯。

(2)淺部煤礦井下地應(yīng)力場(chǎng)以σH＞σh＞σV型為主，水平應(yīng)力占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。最大、最小水平主應(yīng)力可分別達(dá)到垂直主應(yīng)力的4和2倍以上。

(3)淺部煤礦井下最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值主要集中在1～3;最小水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值大部分在0.5～2.0;平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值大多處于1.0～2.5。

(4)淺部煤礦井下最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差同垂直主應(yīng)力的比值離散性很大，最大值超過(guò)2。該比值越大，巖體中的剪應(yīng)力越大，越容易發(fā)生剪切破壞。但淺部煤礦井下地應(yīng)力值本身不大，即使該比值較大，但剪應(yīng)力值不一定很大。

(5)基于淺部煤礦井下地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行煤柱尺寸優(yōu)化，巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)選，可在保證巷道安全與支護(hù)效果的前提下，提高煤炭資源采出率，降低巷道支護(hù)成本。

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中圖分類(lèi)號(hào):TD322

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253－9993(2016)06－1332－09

收稿日期:2016－04－25修回日期:2016－05－08責(zé)任編輯:常琛

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1261211)

作者簡(jiǎn)介:康紅普(1965—)，男，山西五臺(tái)人，中國(guó)工程院院士。E－mail:kanghp@163．com

Characteristics of underground in-situ stress distribution in shallow coal mines and its applications

KANG Hong-pu1，2，3，SI Lin-po1，2，3，ZHANG Xiao1，2，3
(1．Coal Mining Branch，China Coal Research Institute，Beijing100013，China;2．Coal Mining and Designing Department，Tiandi Science and Technology Co．，Ltd．，Beijing100013，China;3．State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization，Beijing100013，China)

Abstract:By means of the small borehole hydraulic fracturing measurement unit designed for underground coal mines，the 88 in-situ stress measurement sites were conducted in more than 10 coal mining fields located in the Shanxi，Shaanxi，Inner Mongolia，Ningxia and Xinjiang province or autonomous region．The shallowest site was only 38 m below the surface．The distribution features and variation trend of the in-situ stresses in shallow underground coal mines were analyzed based on the measurement data，and the comparison with those obtained in deep underground coal mines was made．The applications of the in-situ stress measurement results in a shallow coal mine were introduced through a case study．It is shown that the in-situ stress measurement results present large discreteness，and there is no obvious variation discipline with buried depth，as the in-situ stresses in shallow coal mines are affected by a lot of factors．The in-situ stress pattern is mainly the type of σH＞σh＞σVwith the dominant horizontal stresses．The ratio between the maximum horizontal principal stresses and vertical principal stresses mostly focuses on the interval of 1 to 3;The ratio be-tween the minimum horizontal principal stresses and vertical principal stresses is mainly on the interval of 0．5 to 2．0; The ratio between the mean horizontal principal stresses and vertical principal stresses mainly locates on the interval of 1．0 to 2．5．The ratio between the difference of the maximum and minimum principal stresses and vertical principal stresses presents large discreteness with the maximum value more than 2．The in-situ stress measurement results were applied to optimize coal pillar sizes and rock bolting design，the coal recovery rate was enhanced，and the rock bolting costs were decreased in the premise of entry safety and reinforcement effectiveness．

Key words:coal mine;shallow;in-situ stress measurement;hydraulic fracturing;stress distribution feature