深井地应力测量与运用分析

2014-05-15赵亚军乔彦伟侯晓志王志波温贺兴谷明宇

山西大同大学学报(自然科学版) 2014年1期

赵亚军，乔彦伟，侯晓志，王志波，温贺兴，谷明宇

（1.内蒙古科技大学矿业工程学院；2.内蒙古煤炭安全开采与利用工程技术研究中心，内蒙古包头014010）

地应力是存在于地层中的未受工程扰动的原岩应力，它是引起采矿、隧道、军事等各种地下开挖工程变形和破坏的根本作用力，其大小和方向极大影响工程围岩的稳定性。在煤矿开采中随着采矿规模的不断扩大和开挖深度不断加大，地应力的作用力更加突显。确定围岩煤岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，是实现开挖设计和决策科学合理的前提条件[1]。

1 井田地质构造概述

盛平煤业有限公司井田位于河东煤田台头精查区的西南部，受区域构造影响，井田地层总体为一单斜构造，走向为近东西向，倾向为正北，倾角约8°～15°。井田内2＃煤层赋存于山西组下部，煤层平均厚度3.23 m，平均埋深630 m，地表多呈“V”字形。在单斜构造的基础上井田西南部各发育一组轴向北西向背斜、向斜褶曲，同时在井田中部还发育着一些较小的正断层，见图1。

图1 地质构造

2 地应力测量

2.1 测量仪器

套孔应力解除法是2003年国际岩石力学测试专业委员会(ISRM)推荐的一种地应力测量法，也是当前国内外最为常用的一种地应力测量方法[2]。CSIRO HID最新数字式空心包体应变计，是高集成化的地应力测量仪器，是将应变仪、应力计、电子罗盘、压力传感器、温度计等集成于一体的无电缆微型探头，其内部结构，见图2。此应变计安装简便迅速且有较好的防水性能，成功率和可靠性高，测量精度比较高，且一个钻孔就能确定出测点的三维应力[3]。

图2 CSIRO HID空芯包体应力计内部结构

2.2 测量

在2＃煤层已掘进的2采区巷道及备用工作面巷道布置5个测点，根据测点布置原则将测点布置在距离工作面、掘进头和交叉点较远处的稳定岩层中。根据安装要求打设ϕ130 mm，钻孔深13 000mm；而后使用同心钻打设ϕ38 mm,钻孔深400 mm，要求必须将孔内清理干净、孔底磨平。用水平定向仪将数字式空心包体应变计送入钻孔中，推动安装杆，使黏结剂流入应力计与小孔孔壁之间的缝隙，经24 h固化后开始记录数据，之后继续用ϕ130 mm钻头钻进800 mm来解除套芯[3-5]，地应力测量钻孔结构，见图3。

图3 地应力测量钻孔结构

3 测量结果及运用分析

3.1 测量结果

5个测点的测量结果，见表1。

表1 采区地应力测量结果

3.2 结果分析

测点地应力与埋深关系,见图4。从图中可知侧压比大致是随着埋深加大而减小，符合一般地应力场规律。侧压比全部都在1.0以上，分布在1.24 ～ 1.34之间，数值上最大相差0.1，数据比较集中，也就是说在-630水平侧压比在1.29附近。

从深度与地应力关系，见图5。可以看出其大致分布符合一般规律，埋深大，应力值大。对此数据进一步分析，发现有-632测点测量值比-648测点的大，不符合一般规律，根据井上下对照图发现：该测点位于背斜的端部，在水平构造挤压作用下，端部应力一直在集聚，所以存在浅处深应力现象。

图4 埋深与侧压比关系

最大、最小主应力方向都接近水平，主要方向为近N4°E向，中间主应力是接近倾斜的，最大主应力均大于垂直应力。最大主应力在18.9～22.8 MPa之间，根据应力量级标准该矿判定为高应力区。

图5 埋深与地应力关系

3.3 运用

根据对测量结果分析所得的结论进行以下运用：

1）最大主应力几乎与背斜轴垂直，故而在向、背斜轴部进行巷道布置时,尽量避免顺地质构造的背(向)斜轴布置，总体巷道布置应尽量避开最大主应力的方向，服务时间长久的巷道布置尽量与其方向一致。在无法避开的情况下尽量布置在与其呈±30°以内[6-7]。

2）侧压比系数比较大，目前已掘进巷道两帮变形量较大得以验证。巷道应该注重巷道两帮支护参数的加强，具体为将间排距从1.2 m×1.2 m减小到0.8 m × 0.8 m，锚杆长度由原来的1.8 m换为2.2 m。通过锚杆支护参数优化与布置方向的改变，有效地控制巷道两帮变形量，保证了巷道的稳定性，为矿井正常安全生产提供保障。