原岩应力测试的实践与建议

曹 党

原岩应力测试的实践与建议

曹 党

介绍了在大同矿区忻州窑矿所进行的原岩应力的测试实践，进一步说明应力解除法技术应用的实际意义。

采矿工程；原岩应力；应力解除方法

0 引言

煤矿井下在生产开拓和开采中会引发围岩破坏、支护变形和产生矿井动力现象，引发这种现象的作用力被称之为地应力。地应力是影响采矿工程稳定性诸多因素中最主要和最根本的因素之一。例如大同煤矿集团有限责任公司忻州窑煤矿，前些年在开拓和开采的设计和施工中没有充分考虑地应力影响，其所处区域构造应力作用影响严重，多次发生过较为严重的井下巷道和采场的围岩坍塌破坏、冲击地压等矿井动力现象，造成支护破坏、设备被砸、水电风系统瘫痪，甚至阻断行人通道，对生产和安全构成了极其危险的影响，特别是对其的恢复困难极大。因此，了解本地区地应力分布的基本特征，分析和研究地应力对采矿的影响，获得准确的地应力资料，在矿井开拓中合理确定巷道最佳断面形状和采场合理位置，以及它们的支护形式、支护结构和支护参数是非常必要的。更重要的是通过地应力的测试实施能为今后提供科学合理的理论依据、设计原则和施工方法。

1 原岩应力的有效测量方法

采用何种方法进行原岩应力的有效可靠测量是分析地应力的首要问题。世界许多国家进行了地应力测量方法的研究，发明了很多方法，但采用比较多的方法主要有应力解除法、水压致裂法和应力恢复法。笔者认为实用性强、可操作性好，准确率高可靠性又好的方法首选套芯应力解除法。应力解除法的基本原理是，当岩石块体从受到各个方向作用力或反作用力的岩体中分离出来后，岩石会在自身弹性力的作用下发生膨胀变形，此刻用应变测量仪测量岩块在变形过程中的三维膨胀变形，并通过现场弹性模量率确定岩块弹性模量，则由线性虎克定律即可计算出应力解除前岩体中应力的大小和方向。2011年8月至2011年9月，在忻州窑煤矿西二、东二盘区共设置了3个测试点。具体方法是，在选定要测量地应力的地点首先施工导孔和安装孔，在安装孔粘接应力传感器，并用导线与应变读数仪相连接。随后，用金刚石硬性材料岩芯套筒将圆柱状岩芯取出。在实施取出岩芯全程中，岩体所发生的应力变形量则由应变读数仪记录下来。岩芯与围岩脱离，岩芯上的应力又因解除而重新恢复到新的平衡应力，根据解除应力前和解除应力后在应变读数仪记录测得的差值，通过计算及其相关编程软件计算出应力的大小和方向。

2 应力解除法实测过程

3 个测点位置是，第一个测点（编号为XZY-1）位于西二盘区车场；第二个测点（XZY-2）位于西二人行斜井下；第三个测点（XZY-3） 位于东二14-3无极车绕道。应力解除法实测的工艺过程如下：

①从巷道表面向岩体内部打直径130 mm～150 mm大孔，直至需要测量岩体应力的部位。大孔直径为下一步即将打的用于安装探头的小孔直径的3倍以上。大孔深度为巷道跨度的2.5倍以上，目的是保证测点是未受岩体开挖扰动的原岩应力区。

②用平钻头将钻孔底打磨平整，再用锥形钻头钻出喇叭口，用于定位。喇叭口不仅保证打小钻孔时的同心度，又能在接下来实施的空心包体应变传感器放入工序中能够使其顺利推入小钻孔中，因此喇叭口的质量是非常重要的。接下来从定位喇叭口孔底打φ36的同心小孔，孔的深度为200 mm～400 mm。打完小直径孔之后要用清水反复冲洗干净，还可以用丙酮浸泡过的擦拭头在小孔中来回擦洗，以清除小孔里的污物。

③将黏结剂注入应变传感器的空腔内，再用定向安装杆将应变传感器送入φ36孔中。用力推安装杆使环氧树脂和固化剂接触混合，并向传感器空腔内及其四周流动。当黏结剂化学反应结束形成固化后，小孔内的应变传感器和孔壁紧密粘结在一起。

④20 h后，先将应变传感器的导线电缆从岩芯管、钻杆及其后部的三通管穿出，接入应变读数仪中，然后用φ130的薄壁钻头继续延深大孔，使应变传感器周围的岩石逐渐与围岩脱离。脱离过程中，应变传感器所测得的应变值由应变读数仪自动记录下来。根据指令，每进尺20 mm～40 mm记录一次应变数据。

应力解除完成后，将采集器采集和贮存的应变数据传输到计算机上，再通过相关软件计算和分析绘制出应力解除曲线，即应变值随应力解除深度变化的曲线。

依据测得的小孔变形或应变通过有关公式即可求出小孔周围的原岩应力状态，即地应力。

图1 XZY-1测点应力解除曲线

在XZY-1测点小孔的各个方向共布置了12个应力片，获得了一束地应力解除曲线，它们在同一区域应力参数略有微小变化，整体变化趋势和特征完全一致。为清晰表示例举应力片1的绘制曲线（见图1），解除起点至解除距离到达290 mm区间，曲线变化平缓带有逐渐增加趋势，应变随解除距离的变化幅度不超过总量的20%，说明岩芯套筒未到达至传感器位置；当解除距离到达300 mm后，应变量在很短的区间内突然增加；至随后解除距离到达330 mm后应变曲线趋于平缓；解除距离到达350 mm后，应变量基本不变解除结束。XZY-1测点的地应力实测值见表1。

表1 XZY-1地应力实测结果

3 地应力实测结果分析

用上述方法分别对3个测点实施地应力解除方法测试，分别获得了应力解除曲线和地应力实测值表。虽然3个测点位置、参数和施工参数不一样，但获得的3个应力解除曲线的技术特征却是一致的，其地应力变化量也是一致的，即水平应力大于垂直应力。最大水平应力、最小水平应力、垂直应力，以及三者之间的关系见表2。

表2 地应力测量部分结果

对忻州窑矿XZY-1、XZY-2和XZY-3测点数据进行分析可知，水平最大应力为12.72 MPa，水平最小应力为9.90 MPa，其变化量达到了28%；垂直最大应力为8.65 MPa，垂直最小应力为8.03 MPa，其变化量仅达到了7%。由此表明原岩应力最大主应力为水平应力，最大水平应力的方向为 NE75°～NE83°。

忻州窑煤矿井田总体为一向斜构造形态，内褶皱、断层构造复杂，小断层多集中在向斜轴的两翼，主断裂呈右旋雁型排列，其走向错位处有近平行交错段，在此段间有很多走向为NE方向的羽状小断裂。地层走向总体为北东，向南稍转北西；地层倾向以向斜轴为中心，东部倾向北西，西部倾向北东。在主向斜轴的西翼，则为一系列NE向小型褶皱区。向斜轴消失端在雁列主断裂的最大落差处，背斜消失端在主断层落差较小处或雁列错开处，这些构造形迹无疑是受SE-NW主压应变的结果，表现出该煤田主要地质应力是SE-NW水平挤压应力，属燕山构造运动时期。这种结构特征表明，在解除应力后其原岩处于极不稳定状态。尤其是坚硬顶板易于积蓄能量，在煤层厚度突然变化，煤层分岔、薄化或尖灭、倾角变化的部位出现支撑压力增高，同时开采形成高应力区这几个因素共同形成了忻州窑矿冲击地压发生的原因。

忻州窑矿西二盘区车场、西二盘区人行斜井下、东二14-3无极车绕道附近最大主应力方向分别为330.0°、331.8°和329.6°，且近于水平，倾角分别为-0.9°、-1.9°和0.7°，说明忻州窑矿西二一斜井附近测点最大水平挤压应力受NE-SW的挤压应力影响，其方向由SE-NW向SSE-NNW有转动。因此，该井田是对燕山构造运动时期地质应力SE-NW水平挤压应力的继承和发展，并以发展为主。在此区域内开拓巷道和布置工作面易发生片帮和地鼓。实测的垂直应力大于按照上覆岩层厚度和容重计算的垂直应力，水平应力大于垂直应力，最大水平主应力为垂直应力的1.47～1.51倍，实测的最大水平主应力为最小水平主应力的1.12～1.45倍。水平应力的增加会导致工作面超前支撑压力的增大，而且超前支撑压力的影响范围同时也在扩大，说明工作面前方发生冲击破坏的区域逐渐扩大。水平应力的增加会使此处的应力峰值增大，峰值位置向煤层内部转移，发生冲击破坏的煤体深度逐渐扩大。

4 建议

通过原岩应力测试及其他方法应用的分析，忻州窑矿9号、10号、11号煤层具有中等以上冲击倾向，有80%的煤岩冲击动力失稳事故受上层煤柱的影响，煤岩冲击动力失稳事故发生在巷道煤柱，表现为巷道煤帮突然猛烈抛出。再通过计算机模拟，得到的结果是邻空开采时，在工作面前方7.5 m到10 m的范围内最容易发生冲击失稳。同时，在护巷煤柱中，工作面前方14 m～20 m的范围同样是发生冲击失稳的危险区域，应对此类现象采取相应措施。

Practice and Recommendations of the Original Rock Stress Test

Cao Dang

Introduces the original rock stress test in Xinzhou mine of Datong mining area and further describes the practical significance of the stress relief technology.

mining engineering;situ rock stress;stress relieving methods

TD311

B

1000-4866（2012）02-0023-03

曹党，男，1972年出生，雁北煤炭工业学校（地下采煤专业）毕业，现在大同煤矿集团同生公司安监站工作，助理工程师。

2012-01-05

2012-02-23