地应力分布对巷道围岩稳定性影响分析*

李 涛 陈 刚 秦 涛 兰永伟 颜廷舜 付乙财

(1.黑龙江科技大学矿业工程学院；2.黑龙江科技大学工程训练与基础实验中心)

地应力分布对巷道围岩稳定性影响分析*

李 涛1陈 刚1秦 涛1兰永伟1颜廷舜1付乙财2

(1.黑龙江科技大学矿业工程学院；2.黑龙江科技大学工程训练与基础实验中心)

利用空心包体地应力测量方法对开滦集团东欢坨煤矿进行了地应力测量分析，得出井田内地应力的分布规律，讨论了巷道围岩受地应力作用时的破坏规律，得出巷道围岩受力的大小和均匀性均与巷道轴线与最大主应力的夹角成正比的结论，夹角越大，巷道越易破坏，维护难度越大。

巷道围岩 地应力分布 稳定性分析

井下巷道开掘导致地下原岩应力失衡，原岩应力状态破坏后重新达到平衡状态过程中导致巷道变形，需要外力抵抗巷道变形，即巷道支护[1-3]。地应力的大小决定巷道开掘方式和巷道形状，研究地应力场大小、应力方向，对于地下工程是至关重要的。

唐山块体四周被4条深断裂所包围，南界是宁河—昌黎深断裂，北界是丰台—野鸡坨深断裂，东界是滦县—乐亭深断裂，西界是蓟运河深断裂，在形态上为一走向北东东的菱形块陷，是一个强烈活动着的断块[4-6]。东欢坨煤矿处于该构造区域内，矿井动力现象明显，巷道变形严重，利用空心包体地应力测量方法对其进行地应力测量，分析矿井的地应力场类型及分布规律，以及地应力场对巷道围岩稳定性的影响。

1 测量方法及结果

采用钻孔套芯应力解除法，KX-81空芯包体应力计进行地应力测量。

考虑施工条件和岩石条件都比较好，无大的地质构造等因素，井田内测点选择位于-500 m中石门第二小川5煤层顶板和-230 m副石门8煤层顶板，钻孔及地应力测量结果见表1，地应力分量见表2。

表1 测量钻孔及实测地应力值

表2 东欢坨矿地应力分量

注：地理坐标系x轴为东；y轴为北；z轴向上；取压应力为正。

2 地应力测量结果分析

2.1 垂直应力分布规律

井田内垂直应力与深度的变化关系见图1。

井田内的垂直应力分布规律与E.Hock统计结果并无显著差异[7]，应力值随开采深度增加而增加，区内垂直应力属于正常水平。

2.2 最大主应力分布规律

根据东欢坨煤矿地应力实测数据，得出最大主应力随深度的变化关系，如图2所示。

图1 垂直应力与深度的变化关系

图2 最大主应力与深度的关系

由图2可知，矿区内最大主应力值随深度增加而增大，与国内其他矿区相比，东欢坨矿最大主应力高于一般水平[8]，聚集了较高的水平构造应力。

2.3 最大主应力与最小主应力的关系

通过计算最大主应力与最小主应力的比值，可以得出该矿区的应力方向性是否强烈，各向异性是否明显。井田内地应力实测结果最大主应力与最小主应力的比值分别为3.11和2.19，表明最大主应力与最小主应力相差很大，区域水平应力场显示出很强的方向性，各向异性明显。

2.4 最大主应力与垂直应力的关系

井田内最大主应力与垂直应力的比值分别为1.90和199，可以看出井田内最大主应力远大于垂直应力，故区内水平应力起主导作用，控制着整个区域的应力场状态。

3 应力分析

3.1 地应力场类型

通过分析3个主应力的特征，可以表示出区域地应力场基本类型。彭向峰等分析3个主应力的空间关系[9]，得出原岩应力场包括大地静力场、大地动力场和准静水压力场型。大地静力场的原岩应力主要由上覆岩土体本身自重形成，3个主应力的空间关系为最大主应力接近垂直，中间和最小主应力接近水平，这种特征条件下的应力场区域构造活动较缓；大地动力场特征是水平压应力起主导作用，且应力值很大，并且各向异性明显，与现代构造活动有关；准静水压力场中岩体的应力处于近似各项等压状态。

两个测点测得的结果为：最大主应力方位角为8.16°，-8.11°，中间主应力方位角为85.90°，78.91°，最小主应力方位角为9.96°，7.51°，最大和最小主应力接近水平，中间主应力接近垂直，分别为水平和垂直主应力。两个测点的最大主应力与γh的比值分别为1.89和1.93，水平应力起主导作用，且最大主应力数值较大，各向异性明显，故确定东欢坨煤矿的应力场类型为大地动力场。

3.2 地应力对巷道稳定性影响分析

分析得出，巷道围岩稳定性与巷道轴线和最大主应力的夹角成正比，当夹角较大时，巷道稳定性差，巷道易于破坏，且围岩破坏呈现不均匀性。因此，根据最大主应力方向兼顾工程地质条件和现场施工条件，综合考虑选择最佳巷道轴线方向，是减少巷道变形破坏的有效措施之一。

以东欢坨煤矿-500 m水平巷道为例，测出最大主应力方位角为259°，主应力为22.96 MPa，近东西方向，其巷道维护情况见表3。

表3 巷道维护状况预测分析

从表4中可以看出，东欢坨煤矿内中央采区平巷轴线与最大主应力夹角较大，巷道变形严重，且较难维护，巷道顶底板岩层发生剪切破坏，进而发生错动和底板岩层膨胀，造成围岩破坏，这与东欢坨矿的现场实际情况相符。因此，东欢坨煤矿的巷道支护设计中要注意支护材料和锚杆形式，在巷道顶板变形破坏的初期就要提高巷道稳定性，易于控制巷道围岩的后期变形破坏。

4 结 论

(1)井田内垂直应力和最大主应力都随着深度的增加而增加，最大主应力数值较大。最大主应力与最小主应力相差很大，区域应力场表现出很强的方向性。最大、最小主应力为水平应力，中间主应力为垂直应力，最大主应力远大于垂直应力，说明水平构造应力在区域应力场中起主导作用，应力场类型为大地动力场。

(2)巷道围岩稳定性。巷道轴线与最大主应力方向夹角成正比，当二者夹角接近垂直时，巷道的变形破坏最严重；当夹角较小时，巷道围岩稳定性较高。巷道围岩破坏表现出不均匀性。

(3)东欢坨煤矿在高地应力条件下，受最大水平主应力作用，巷道顶底板主要表现为剪切破坏，顶底板岩层发生错动和巷道底板岩层膨胀，进而造成巷道围岩破坏。

(4)东欢坨煤矿地应力测量结果为以后巷道工程轴线方向的选择，巷道支护材料和方式以及锚杆支护参数的选取提供了设计参据，提高了东欢坨煤矿井下开采的安全性。

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*黑龙江省教育厅科学技术研究项目(编号：12533067)。

2015-03-20)

李 涛(1985—)，男，硕士，150022 黑龙江省哈尔滨市松北区糖厂街1号。