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        千米深井地應(yīng)力測試技術(shù)研究與應(yīng)用

        2022-02-08 11:35:48邢世坤
        煤炭與化工 2022年12期

        邢世坤

        (冀中能源股份有限公司 邢東礦,河北 邢臺 054000)

        大量的煤礦開采實(shí)踐表明,生產(chǎn)過程中發(fā)生的動力現(xiàn)象如巷道變形、頂板來壓、沖擊地壓、瓦斯突出等都與礦井地應(yīng)力有密切的關(guān)系。在進(jìn)行數(shù)值模擬和巷道支護(hù)設(shè)計時,地應(yīng)力參數(shù)往往都是以靜水壓力理論為依據(jù)計算得來的。據(jù)統(tǒng)計,隨著煤礦開采深度的增大,基于靜水壓力的理論計算值的誤差增大,在現(xiàn)場應(yīng)用中造成支護(hù)設(shè)計等不符合現(xiàn)場要求,給煤礦安全生產(chǎn)帶來隱患。為此,在深部礦井開展地應(yīng)力測量,具有重要的意義。

        1 概 況

        邢東礦于2001 年11 月建成投產(chǎn),目前開采山西組2 號煤層,邢東礦地表被第四系松散沉積物覆蓋,屬于全掩蓋區(qū)。所采煤層為2 號煤,位于山西組下部,是井田最主要的可采煤層,此次原位地應(yīng)力測試的1200 采區(qū)1224 區(qū)段,其煤層及其頂?shù)装鍘r性的分布如圖1 所示。

        圖1 1224 工作面綜合柱狀圖Fig.1 Synthesis column of No.1224 Face

        2 井下地應(yīng)力測試

        2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)選擇

        當(dāng)前常用的地應(yīng)力測量方法有空心包體鉆孔應(yīng)力解除法和水壓致裂法2 種。水壓致裂法是一種二維的測量方法,僅能確定最大和最小主應(yīng)力,對中間主應(yīng)力測量難度大甚至無法測量,而應(yīng)力解除法可以通過12 個應(yīng)變片對鉆孔圍巖內(nèi)的應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。結(jié)合邢東礦的實(shí)際情況,確定采用空心包體鉆孔應(yīng)力解除法。

        此次現(xiàn)場測試目的是獲取邢東礦1200 采區(qū)1224 區(qū)段的地應(yīng)力測試數(shù)據(jù),地點(diǎn)是根據(jù)1224 區(qū)段已知地質(zhì)構(gòu)造、煤層及頂?shù)装宓膹?qiáng)度等生產(chǎn)地質(zhì)條件資料,先在礦井采掘工程平面圖上預(yù)選出一些可行的位置點(diǎn)。測點(diǎn)位置盡量選取受采動影響較小并且遠(yuǎn)離斷層等地質(zhì)構(gòu)造帶的區(qū)域,在圖紙上初步選取位置后,井下進(jìn)行現(xiàn)場踏勘確定。最終選取邢東礦2 處地應(yīng)力測試任務(wù)點(diǎn),分別編號為1 號、2號測點(diǎn)。1 號測點(diǎn)位于1300 集中運(yùn)料巷中部,距離密閉墻73 m 處,沿掘進(jìn)方向右?guī)停? 號測點(diǎn)布置在1200 集中運(yùn)料巷導(dǎo)G28A 前32 m 右?guī)吞帲?個測點(diǎn)布置如圖2 所示。在2 個測點(diǎn)巷幫距巷道底板1.5 m 施工鉆孔,向上傾斜3°~5°,鉆孔深度為10 m,如圖3 所示。

        圖2 地應(yīng)力測量測點(diǎn)布置Fig.2 Measurement points arrangement of in-situ stress test

        圖3 地應(yīng)力鉆孔示意Fig.3 Drilling indication of in-situ stress test

        2.2 測試步驟

        地應(yīng)力測試分4 個步驟進(jìn)行。

        2.2.1 施工地質(zhì)鉆孔

        采用專用的鉆頭,在測點(diǎn)巷幫指定位置施工鉆孔,鉆孔直徑為133 mm,鉆孔角度不宜過大,采取近水平施工,以保證應(yīng)變計的安裝位置位于原巖應(yīng)力區(qū)。

        當(dāng)鉆孔至預(yù)定長度時,取出巖芯,并編號套袋保護(hù)巖芯。之后,采用長370 mm,直徑40 mm 的小鉆頭打空心包體小孔,如圖4 所示。

        圖4 套孔施工Fig.4 Hole construction

        2.2.2 安裝空心包體

        將配制好的環(huán)氧膠倒入應(yīng)力計的空腔,用鋁絲銷子進(jìn)行固定,將空心包體安裝到定位器上,伸入測量鉆孔內(nèi),然后將環(huán)氧膠擠出,使得包體與鉆孔孔壁緊密貼合,如圖5 所示。

        圖5 空心包體探頭安裝Fig.5 Hollowinclusion probe installation

        2.2.3 取導(dǎo)向桿

        15 h 后,環(huán)氧膠完全固化,利用定向儀測量鉆孔內(nèi)包體的角度,同時記錄鉆孔參數(shù)。之后,取出安裝鉆桿和定向儀。

        2.2.4 應(yīng)力解除

        將空心包體的導(dǎo)線電纜從取芯管、鉆桿孔、鉆機(jī)和改裝過的水節(jié)頭穿出,連接到數(shù)字應(yīng)變儀上。開動鉆機(jī)注水,讀取記錄應(yīng)變儀上的讀數(shù)。套筒取芯,作應(yīng)力解除,此時應(yīng)變儀上應(yīng)變數(shù)值會變化,并自動將應(yīng)變數(shù)值記錄在應(yīng)變儀中,套芯結(jié)束后,取出帶有空心包體的巖芯,將巖芯包裹好,防止巖性發(fā)生改變,將巖芯帶到地面,準(zhǔn)備下一步試驗(yàn)。取芯過程如圖6 所示。

        圖6 應(yīng)力解除Fig.6 Stress release

        3 地質(zhì)力學(xué)評價

        3.1 測孔巖芯物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

        通過加載使試件軸向壓縮和軸向膨脹,帶動表面的橫縱應(yīng)變片變形,通過連接計算機(jī)可以測得應(yīng)變片應(yīng)變,即被壓縮試件的橫縱應(yīng)變值。該試驗(yàn)可以由試件破壞時的破壞載荷得到巖石的抗壓強(qiáng)度Rc;通過巖石應(yīng)變,由應(yīng)力- 應(yīng)變曲線得到巖石的彈性模量和泊松比。

        巖石劈裂試驗(yàn)是通過對塊狀試件側(cè)面加壓來達(dá)到拉應(yīng)力的效果,通常采用“巴西劈裂法”對圓盤試件或方片式試件進(jìn)行加壓試驗(yàn)達(dá)到拉伸的效果,求得巖石的抗拉強(qiáng)度為σt。

        根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計算得到2 組試件的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比,見表1。

        表1 巖樣單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)匯總Table 1 Data summary of uniaxial compressive strength of rock sample

        3.2 測孔巖芯的地質(zhì)力學(xué)評價

        以1 號測點(diǎn)為例,地質(zhì)力學(xué)評價如下。

        (1) 巖芯描述。地應(yīng)力測試過程所取巖芯完整,根據(jù)顏色及巖石顆粒判斷,巖性為砂巖。

        (2) 普氏評價。巖石的單軸抗壓強(qiáng)度為86.5 MPa,普氏系數(shù)為8.7,抗壓試驗(yàn)前巖樣表面平整,未發(fā)現(xiàn)裂隙存在,試驗(yàn)過程中巖石出現(xiàn)縱向裂隙,并且發(fā)出較大聲音,由此判斷巖石儲量的彈性能較大,并且?guī)r石的彈性模量為31.09 GPa,綜合判斷該巖石屬于硬巖。

        (3) RQD 評價?,F(xiàn)場采用外徑133 mm 的套筒取芯,記錄取芯總長度為2.5 m,其中長度大于10 cm 的巖芯測量總長度為1.6 m,由RQD 計算方法,計算得到1 號巖芯的巖石完整性指數(shù)為64%,根據(jù)巖石工程分級,巖石取芯完整性中等。

        綜合以上對1 號鉆孔巖芯評價,可知其巖性為白色砂巖,巖石顆粒致密,強(qiáng)度高,完整性中等,巖石質(zhì)量較好。

        4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理及分析

        4.1 地應(yīng)力測試數(shù)值整理

        4.1.1 1 號孔地應(yīng)力測試結(jié)果

        1 號鉆孔處所測得的地應(yīng)力大小和方向數(shù)據(jù)見表2。

        表2 1 號測孔主應(yīng)力大小和方向Table 2 Principal stress magnitude and direction of No.1 measuring hole

        4.1.2 2 號孔地應(yīng)力測試結(jié)果

        2 號鉆孔處所測得的地應(yīng)力大小和方向數(shù)據(jù)見表3。

        表3 2 號測孔主應(yīng)力大小和方向Table 3 Principal stress magnitude and direction of No.2 measuring hole

        4.2 地應(yīng)力測試分析

        綜合1 號、2 號兩個測點(diǎn)的觀測結(jié)果,邢東礦地應(yīng)力的分布見表4。

        通過表4 可以看出,邢東礦地應(yīng)力呈現(xiàn)出如下特點(diǎn)。

        表4 邢東礦地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)匯總Table 4 Stress test data summary of Xingdong Mine

        (1) 地應(yīng)力大。本次測試,2 個測點(diǎn)埋深在809~820 m,從測試結(jié)果來看,邢東礦地應(yīng)力總體較大,1 號測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力為33.1 MPa,2 號測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力為32.5 MPa。

        (2) 原巖應(yīng)力場以水平應(yīng)力為主。2 個測點(diǎn)均表現(xiàn)出σH>σv>σh,即水平主應(yīng)力為最大主應(yīng)力,而水平應(yīng)力主要作用于巷道頂?shù)装澹虼嗽趯?shí)際生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

        (3) 側(cè)壓系數(shù)。2 個測點(diǎn)1 號、2 號側(cè)壓系數(shù)分別為1.81 和1.45,礦井水平應(yīng)力較大,存在構(gòu)造應(yīng)力的影響因素。

        5 結(jié) 論

        (1) 應(yīng)力解除法可以通過12 個應(yīng)變片對鉆孔圍巖內(nèi)的應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確測量,結(jié)合邢東礦的實(shí)際情況,確定采用空心包體鉆孔應(yīng)力解除法進(jìn)行地應(yīng)力測量。

        (2) 邢東礦頂板巖石的單軸抗壓強(qiáng)度為86.5 MPa,彈性模量為31.09 GPa,巖石完整性指數(shù)為64%,巖石取芯完整性中等,巖石顆粒致密,強(qiáng)度高,完整性中等,巖石質(zhì)量較好。

        (3) 邢東礦地應(yīng)力總體較大,其中水平應(yīng)力為最大主應(yīng)力,且水平應(yīng)力數(shù)值較大,存在構(gòu)造應(yīng)力,在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)對巷道頂板的支護(hù)。

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