王傳兵 丁晨曦 張繼兵

(1. 淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司，安徽省淮南市，232001；2. 中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京市海淀區(qū)，100083；3.淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司張集煤礦，安徽省淮南市，232001)

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張集煤礦北區(qū)原巖應力實測與分析

王傳兵1丁晨曦2張繼兵3

(1. 淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司，安徽省淮南市，232001；2. 中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京市海淀區(qū)，100083；3.淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司張集煤礦，安徽省淮南市，232001)

采用應力解除法，對張集煤礦北區(qū)測點的原巖應力進行實測和分析，得到了各測點原巖應力的大小和方向。結(jié)果表明，張集煤礦北區(qū)的最大水平主應力分別約為最小水平主應力的1.65～2.79倍和垂直應力的2.58～2.66倍，原巖應力的分布對深部煤礦巖層的變形破壞形式和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律均有較大的影響。根據(jù)實測發(fā)現(xiàn)原巖應力的最大水平應力方向為NWW-SEE方向，為減小原巖應力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，巷道走向宜布置為NWW-SEE方向。張集煤礦原巖應力的實測和分析對揭示礦壓顯現(xiàn)規(guī)律具有重要意義，對巷道走向布置具有參考價值。

應力解除法 原巖應力 深部開采 礦壓顯現(xiàn)

原巖應力是存在于地層中的天然應力，是導致工程變形破壞和地質(zhì)災難的動力因素，也是工程穩(wěn)定性分析所必須考慮的要素之一。原巖應力的準確測量對各種巖土工程的開挖設計和地質(zhì)運動規(guī)律的研究均具有重要意義。原巖應力的現(xiàn)場實測是獲得原巖應力數(shù)據(jù)的重要手段，并在實測的基礎(chǔ)上進行統(tǒng)計回歸分析，能夠得到所研究的地質(zhì)體的主應力大小和方向。原巖應力的測量方法有多種，就應用范圍而言，最常用的方法有應力解除法和水壓致裂法。本文采用應力解除法對淮南礦業(yè)集團張集煤礦北區(qū)原巖應力進行實測和分析，進一步揭示原巖應力與礦井巷道布置、巷道圍巖穩(wěn)定性之間的關(guān)系，為深部礦井的巖石力學計算和巖體力學模型建立提供可靠的原巖應力參數(shù)。

1 張集煤礦地質(zhì)概況

張集煤礦東南部為陳橋背斜構(gòu)造，西部的地層走向為北偏西約75°，北部向正北方向延伸。張集礦A組煤首采區(qū)為西二1#煤層上采區(qū)，采區(qū)范圍為東至北區(qū)1#煤層工業(yè)廣場煤柱線及延長線；南至西區(qū)1#煤層工業(yè)廣場煤柱線及西翼軌道大巷；西至1#煤層風氧化帶底界和F209斷層；北至1#煤層風氧化帶底界及Fs866斷層。西二1#煤層上采區(qū)可采儲量1573.67萬t；采區(qū)總可采出量1262.07萬t。

14131工作面為西二1#煤層采區(qū)設計5個塊段的第三塊段。首采面14131工作面地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，影響該工作面掘進和回采地質(zhì)構(gòu)造主要為Fs8014斷層、Fs8015斷層和Fs875斷層。另外，開切眼靠近Fs866斷層，受其影響附近可能伴生小構(gòu)造。首采面1#煤層厚度為3.54～8.8 m，平均為7.0 m；煤層傾角在4°～7°之間，平均為5.4°；1#煤層普氏系數(shù)為0.83～1.13，平均為0.95。

2 測點選取與實測方法

2.1 測點選取

深部礦井原巖應力的測量就是要確定所研究區(qū)域的巖體內(nèi)部未受擾動和影響的三維應力的大小和方向。一般要在研究區(qū)域內(nèi)選取一定數(shù)量測點進行實測。就深部礦井而言，每個采區(qū)內(nèi)的原巖應力測點應該不少于一個。

深部礦井在掘進施工過程中，圍巖內(nèi)部的原巖應力分布狀態(tài)受到了擾動和影響，因此在進行實測時，用于安裝應變傳感器的鉆孔要避免放置在受影響的區(qū)域范圍內(nèi)。根據(jù)相關(guān)理論分析，巷道掘進施工造成的原巖應力的擾動范圍一般是巷道尺寸的3～5倍。但是，在實際的原巖應力測量過程中，由于地質(zhì)條件和巖體強度的不同，往往與理論分析有一定的差異。而要獲得準確的不受擾動的原巖應力區(qū)范圍，最好的方法是利用不同深度的鉆孔進行測量和分析，以原巖應力測量值不發(fā)生明顯變化的區(qū)域為擾動應力區(qū)和原巖應力區(qū)的分界。

原巖應力的測量需要滿足以下幾個方面的要求：首先，需要選取靈敏度好、精確度高的應變傳感器和配套的采集儀；其次，要結(jié)合具體的地質(zhì)條件和巖層物理力學性質(zhì)，在合適的區(qū)域打測量孔；最后，在鉆孔過程中，要保證鉆孔的平直度和孔的同心度。原巖應力的測量和計算一般是以線彈性理論為基礎(chǔ)的，所以測點應該盡量布置在較為完整的巖體內(nèi)，避免布置在斷層帶和破碎帶附近，避開采場和巷道的應力集中區(qū)，遠離較大的采空區(qū)等。

根據(jù)以上要求，在張集煤礦原巖應力測試中選取了兩個測點，分別位于西二1#煤層-536 m疏水巷六號鉆場和西三1#煤層底板軌道下山。具體位置如圖1所示。

圖1 張集礦北區(qū)地應力測點布置圖

2.2 實測方法

采用應力解除法，對張集礦北區(qū)西二1#煤層-536 m疏水巷六號鉆場和西三1#煤層底板軌道下山的測點進行原巖應力測量。應力解除法的基本原理為：處于原巖應力場中的巖石受到周圍巖體的作用處于三維應力狀態(tài)，當被從原來的巖體中取出后，彈性能釋放會發(fā)生膨脹變形，這種變形程度與原來的受力狀態(tài)有一定的規(guī)律。根據(jù)這樣的變形規(guī)律和測量得到的巖石彈性模量，通過換算可以得到該巖石處于原巖應力狀態(tài)下的應力值和相應的方向。

3 原巖應力實測結(jié)果與分析

3.1 西二1#煤層-536 m疏水巷測點

西二1#煤層-536 m疏水巷測點位于疏水巷六號鉆場，該巷道兩幫為灰色泥巖，巖性比較完整，有利于導孔成型。測點埋深為560 m，鉆孔深度為12 m，傾角為4°，方位角為302°。地應力導孔以4°仰角垂直于巷幫進行施工。當鉆孔深度達到11.5 m時，更換錐形鉆頭及E型鉆頭施工安裝應力計的E型孔，E型孔的深度為0.45 m，加上長度為5 cm的錐形孔應力計，總安裝深度為12 m。地應力傳感器安裝后經(jīng)過24 h的固結(jié)作用再進行應力解除，解除過程中有部分應變片失效。根據(jù)應力解除數(shù)據(jù)，作出各個應變片應變變化與解除距離曲線如圖2所示。

圖2 西二1#煤層-536 m疏水巷應力解除曲線

根據(jù)鉆孔取芯的力學測定，得到該測點處的巖石彈性模量為41.22 GPa，泊松比為0.32。應用專用的數(shù)據(jù)處理軟件對測量數(shù)據(jù)進行處理，經(jīng)過最終處理得到的主應力見表1，將主應力方向匯總在立體網(wǎng)格上，如圖3所示。

表1 西二1#煤層-536 m疏水巷原巖應力實測結(jié)果

圖3 西二1#煤層-536 m疏水巷主應力方向立體網(wǎng)格圖

3.2 西三1#煤層底板軌道下山測點

西三1#煤層底板軌道下山測點距離巷道施工面60 m左右，測點埋深為620 m，鉆孔深度為12 m，傾角為4°，方位角為300°。根據(jù)應力解除數(shù)據(jù)，做出各個應變片應變變化與解除距離曲線如圖4。

圖4 張集礦西三1#煤層底板軌道下山應力解除曲線

與西二1#煤層-536 m疏水巷方法類似，得到該測點處的主應力數(shù)據(jù)見表2，主應力方向匯總在立體網(wǎng)格上，如圖5所示。

表2 西三1#煤層底板軌道下山原巖應力實測結(jié)果

圖5 西三1#煤層底板軌道下山主應力方向立體網(wǎng)格

3.3 原巖應力實測分析

原巖應力實測結(jié)果表明，最大的主應力為水平應力，最大水平應力的大小為37.4～38.8 MPa。西三1#煤層底板軌道下山測點最大主應力方位角為108.3°，仰角為-12.5°，方位角與西三1#煤層最大主應力相差無幾，將仰角換算成12.5°之后，方位角變?yōu)?88.3°，與西三1#煤層最大主應力方向一起分布在NWW-SEE方向，如圖6所示。中間主應力的大小為13.9～22.6 MPa，方位角為192.3°～207.6°；最小主應力為13.4 MPa，方位角為16.2°～42.3°。根據(jù)海姆靜水壓力理論，測點的埋深為570～620 m，響應的垂直應力的計算值為14.25～15.5 MPa，與實測值相比，理論計算值偏大。兩個測點的最大水平主應力、最小水平主應力和垂直應力見表3。

圖6 測點最大主應力方向分布立體網(wǎng)格

表3 原巖應力測量部分結(jié)果

根據(jù)實測結(jié)果進行綜合分析，張集礦北區(qū)的原巖應力具有以下特點：

最大水平主應力約為垂直應力的2.58～2.66倍，原巖應力的分布對煤礦深部巖層的變形破壞形式和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律均有較大的影響；最大水平主應力約為最小水平主應力的1.65～2.79倍，說明水平應力的分布對巷道掘進施工的影響具有明顯的方向性。此外，發(fā)現(xiàn)最大水平應力的方向為NWW-SEE方向，為減小原巖應力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，巷道走向布置以NWW-SEE方向為宜。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合淮南礦業(yè)集團張集煤礦北區(qū)的地質(zhì)特征，在西二1#煤層-536 m疏水巷和西三1#煤層底板軌道下山分別選取測點。根據(jù)應力解除法的實測結(jié)果和分析，在所選測點中，最大水平主應力為38 MPa 左右，最小水平主應力為13.9 MPa，最大水平主應力為最小水平主應力的1.65～2.79倍，浮動區(qū)間主要受到最小主應力變化范圍較大的影響，可見巷道掘進施工的方向性很大程度上將受到水平應力的影響。

(2)各測點處的垂直應力平均為14.5 MPa，最大水平主應力為垂直應力的2.58～2.66倍，原巖應力的分布對煤礦深部巖層的變形破壞形式和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律均有較大的影響。

(3)最大水平應力的方向為NWW-SEE方向，為減小原巖應力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，巷道走向布置以NWW-SEE方向為宜。

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(責任編輯 陶 賽)

Field test and analysis of in-situ stress in the North district of Zhangji Mine

Wang Chuanbing1, Ding Chenxi2, Zhang Jibing3

(1. Huainan Mining Industry (Group) Co., Ltd., Huainan, Anhui 232001, China;2.School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China;3.Zhangji Mine, Huainan Mining Industry (Group) Co., Ltd., Huainan, Anhui 232001, China)

Using stress relief method, in-situ stress of the gauging points in the North district of Zhangji Mine was tested and analyzed, the magnitude and orientation of in-situ stress were obtained. The results showed that the maximum horizontal principal stress was about 1.65～2.79 times of minimum horizontal principal stress and 2.58～2.66 times of vertical stress, the distribution of in-situ stress had great effects on rock deformation and mine pressure behavior in deep coal mine. According to field measurements, the orientation of maximum horizontal principal stress was NWW-SEE. In order to mitigate the impact of in-situ stress on surrounding rock stability, the orientation of roadway should be NWW-SEE as well. The field test and analysis on in-situ stress in Zhangji Mine were important for revealing mine pressure behavior, and it had referential meaning for the planning of roadway layout.

stress relief method, in-situ stress, deep mining, mine pressure behavior

國家自然科學基金(512742003，51404273)

王傳兵，丁晨曦，張繼兵 . 張集煤礦北區(qū)原巖應力實測與分析 [J] . 中國煤炭，2017，43(5)：43-46. WangChuanbing, Ding Chenxi, Zhang Jibing . Field test and analysis of in-situ stress in the North district of Zhangji Mine [J] . China Coal，2017,43(5)：43-46.

P554

A

王傳兵(1970-)，男，安徽濉溪人，碩士，高級工程師，現(xiàn)任淮南礦業(yè)集團設計院副院長。