張 斌

(山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 忻州 036700)

原巖應(yīng)力是引起井工煤礦工程變形和破壞的根本作用力,在巷道圍巖控制領(lǐng)域,確定原巖應(yīng)力的大小和方向是科學(xué)進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的首要前提[1-3]。水力壓裂法與應(yīng)力解除法為目前常用的原巖應(yīng)力測(cè)試方法。廣大科研工作者針對(duì)原巖應(yīng)力測(cè)量開(kāi)展了系列研究,并取得一定成果。康紅普[4]采用水力壓裂法測(cè)量了10余座埋深小于200 m的淺部礦井的原巖應(yīng)力數(shù)據(jù),分析了淺部礦井原巖應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型與原巖應(yīng)力分布特征。伊丙鼎[5]梳理了我國(guó)井工煤礦千余條原巖應(yīng)力數(shù)據(jù),建立“中國(guó)煤礦應(yīng)力環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)”,統(tǒng)計(jì)分析了井工煤礦原巖應(yīng)力分布特征及不同影響因素。

潞寧煤礦隨著開(kāi)采強(qiáng)度與深度的增大,礦井受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,原巖應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜,巷道圍巖控制難度逐漸增大。本文在潞寧煤礦開(kāi)展了6個(gè)測(cè)點(diǎn)的原巖應(yīng)力測(cè)量,基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析潞寧煤礦原巖應(yīng)力場(chǎng)分布特征,從而指導(dǎo)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)。

1 潞寧煤礦原巖應(yīng)力測(cè)量概況

1.1 潞寧煤礦地質(zhì)條件概況

潞寧煤礦位于山西省忻州市寧武縣,井田長(zhǎng)約9.3 km,寬約4.8 km,井田面積約31 km2,主采2號(hào)煤,煤層平均厚度為4.1 m,一次采全高采煤工藝。共布置4個(gè)采區(qū),其中,四采區(qū)局部開(kāi)采深度已超600 m.

1.2 潞寧煤礦原巖應(yīng)力測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

潞寧煤礦原巖應(yīng)力測(cè)試采用水力壓裂法。水力壓裂法測(cè)量原巖應(yīng)力為平面應(yīng)力測(cè)量方式[6]。測(cè)試時(shí),每個(gè)測(cè)點(diǎn)在頂板布置深度為25 m、孔徑為58 mm鉆孔,結(jié)合圍巖綜合柱狀圖及鉆孔窺視結(jié)果,選取圍巖完整巖石段作為測(cè)試段,采用水力壓裂原巖應(yīng)力測(cè)試裝備對(duì)測(cè)試段進(jìn)行封孔、高壓注水并反復(fù)加壓,致裂巖層,獲得圍巖的破裂壓裂Pb、重張壓力Pr及瞬時(shí)關(guān)閉壓力Ps,結(jié)合水的容重γw,通過(guò)公式(1)計(jì)算獲得最大水平主應(yīng)力σH與最小水平水應(yīng)力σh.垂直應(yīng)力根據(jù)上覆巖層容重計(jì)算。

σH=3Ps-Pr-2γwh
σh=Ps-γwh

(1)

潞寧煤礦原巖應(yīng)力測(cè)試地點(diǎn)包括準(zhǔn)備巷道、回采巷道,涉及2號(hào)煤與3號(hào)煤,共計(jì)6個(gè)測(cè)點(diǎn)。原巖應(yīng)力測(cè)量結(jié)果如表1所示。表中,σH為最大水平主應(yīng)力,MPa;σv為垂直主應(yīng)力,MPa;σh為最小水平主應(yīng)力,MPa.上述測(cè)點(diǎn)中典型的水力壓裂曲線(xiàn)與印模圖如圖1與圖2所示。

表1 原巖應(yīng)力測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖1 22118運(yùn)輸巷600 m測(cè)點(diǎn)水力壓裂曲線(xiàn)

圖2 22118運(yùn)輸巷600 m測(cè)點(diǎn)水力壓裂印模圖

2 潞寧煤礦原巖應(yīng)力場(chǎng)特征研究

2.1 原巖應(yīng)力量值及應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型

潞寧煤礦6個(gè)測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力量值均大于垂直主應(yīng)力,說(shuō)明潞寧煤礦深部巷道原巖應(yīng)力總體上水平應(yīng)力占優(yōu)勢(shì),屬于典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。按照主應(yīng)力大小排列,潞寧煤礦深部巷道原巖應(yīng)力場(chǎng)均為σH>σv>σh型應(yīng)力場(chǎng)。6個(gè)測(cè)點(diǎn)中,原巖應(yīng)力量值最大為29.22 MPa,最小為11.34 MPa.對(duì)于最大水平主應(yīng)力,所有測(cè)點(diǎn)值均大于20 MPa,因此,潞寧煤礦深部巷道原巖應(yīng)力量值目前處于高應(yīng)力區(qū)。

圖3 潞寧煤礦原巖應(yīng)力散點(diǎn)分布

2.2 原巖應(yīng)力隨埋深變化規(guī)律

從圖3中可看出,潞寧煤礦原巖應(yīng)力總體上隨埋深增大逐步增大。線(xiàn)性擬合分析最大水平主應(yīng)力量值、最小水平主應(yīng)力量值,得到最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、垂直主應(yīng)力隨埋深變化的線(xiàn)性回歸公式:

σH=0.029H+6.789
σh=0.013 3H+4.895
σv=0.024 5H

(2)

從公式及擬合曲線(xiàn)可以看出,隨著埋深增加,最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的增速大于最小水平主應(yīng)力,進(jìn)而可通過(guò)式(2)對(duì)潞寧煤礦深部地區(qū)其他未開(kāi)展測(cè)量區(qū)域原巖應(yīng)力進(jìn)行預(yù)估。

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)力與垂直主應(yīng)力的比值(側(cè)壓比k1)隨埋深的變化如圖4所示。表明潞寧煤礦深部巷道k1離散性較小,最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值集中在1.6～1.7.

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(側(cè)壓比k2)隨埋深的變化如圖5所示。由圖分析可知,k2離散性較小,最小水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值集中在0.8～0.9,說(shuō)明最小水平主應(yīng)力隨埋深增大,逐漸從大于垂直主應(yīng)力演變?yōu)樾∮诖怪敝鲬?yīng)力,且兩者之間的差值有增大趨勢(shì)。

圖5 側(cè)壓比k2隨埋深變化的散點(diǎn)圖

2.5 最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差與垂直應(yīng)力的比值隨埋深的分布規(guī)律

井巷開(kāi)挖、煤層采動(dòng)均會(huì)改變圍巖應(yīng)力狀態(tài),圍巖在剪應(yīng)力作用下易發(fā)生非協(xié)調(diào)變形。最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差與垂直應(yīng)力的比值(側(cè)壓比k3)決定了巖體中剪應(yīng)力大小[7],側(cè)壓比k3埋深變化的散點(diǎn)圖如圖6所示。分析可知,側(cè)壓比k3集中在0.69～0.87,側(cè)壓比k3離散性較小。

圖6 側(cè)壓比k3隨埋深的散點(diǎn)圖

2.6 最大剪應(yīng)力隨埋深的分布規(guī)律

最大剪應(yīng)力為最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差的1/2,潞寧煤礦深部巷道最大剪應(yīng)力隨埋深變化規(guī)律如圖7所示。分析可知,最大剪應(yīng)力最大為6.71 MPa,最小為4.62 MPa,埋深400～600 m范圍最大剪應(yīng)力離散性較小,埋深繼續(xù)增大最大剪應(yīng)力且增大明顯,巷道圍巖更易發(fā)生剪應(yīng)力破壞。

圖7 最大剪應(yīng)力隨埋深變化規(guī)律

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 潞寧煤礦深部巷道原巖應(yīng)力場(chǎng)總體上水平應(yīng)力占優(yōu)勢(shì),為典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。最大主應(yīng)力始終為最大水平主應(yīng)力,垂直主應(yīng)力大于最小水平主應(yīng)力。

2) 潞寧煤礦深部巷道多處于高原巖應(yīng)力值區(qū)域,側(cè)壓比離散性較小。最大剪應(yīng)力在埋深為400～600 m范圍時(shí)離散性較小,埋深繼續(xù)增大,最大剪應(yīng)力增大明顯,說(shuō)明深部巷道易發(fā)生剪應(yīng)力破壞。