三维地应力场测试及围岩稳定性分析

2016-01-20秦宝华,李冈峨

中原工学院学报 2015年3期

三维地应力场测试及围岩稳定性分析

秦宝华，李冈峨

(1. 河南有色岩土工程公司，郑州 450000； 2. 中原工学院，郑州 450007)

摘要：为解决涡北煤矿-450水平运输大巷破坏严重的问题，采用岩石Kaiser效应法对-450水平进行地应力测量。结果表明：-450水平最大主应力为15.36 MPa，属中高应力区，水平应力过大不利于巷道维护。在地应力测试基础上，应用UDEC数值模拟对变形量进行了预测。研究表明，锚杆支护完全能够满足围岩稳定的要求，可为巷道开挖提供合理的支护方案，为矿区巷道围岩控制提供借鉴和指导。

关键词：地应力测量；Kaiser效应；围岩稳定性；数值模拟

中图分类号：TU443

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.03.018

Abstract:To solve the problem of transportation roadway serious damage in -450m of Wobei mine, the in-situ stress has been measured by Kaiser effect of rock. The results show that the maximum principal stress at -450m is 15.36MPa, which is in a high stress area, and the high horizontal stress is unfavorable for roadway support. Based on the analysis of test, the numerical simulation UDEC method is applied to predict for the deformation amount. It is shown that bolting is able to suffice the requirements of rock stability. Supporting program is provided for roadway excavation, it is the learned and guiding significance to control the surrounding rocks.

随着国家经济发展对矿产需求量的日益加大，矿产开采深度不断加大，矿井巷道的建设和维护越来越困难，复杂地质力学环境下高应力区围岩稳定和支护问题成为当前安全生产亟待解决的重大问题[1-2]。地应力是引起地下工程变形和破坏的根本作用力，是决定区域稳定性的重要因素，也是进行岩体工程问题数值计算的初始条件[3-4]。对巷道原岩地应力和围岩的应力分布特征进行测量和研究，是实现围岩稳定性分析和支护设计的理论依据[5]。目前在岩石力学与地下工程领域主要采用水力压裂法[6-7]和应力解除法[8]测试该点的三维地应力大小，由于现场岩体应力测量是一项操作困难、成本较高的工作，而岩石Kaiser效应测试地应力的方法具有可靠、快速、经济等优点，受到越来越多的重视，现已逐步推广到工程实际中[9]。

涡北煤矿位于淮北煤田涡阳矿区的东北部，煤层赋存稳定，结构单一，总体上为走向南北且向西倾斜的单斜构造，地层倾角一般在20～30°之间，主体构造表现为一遭受断层(块)切割了的西倾单斜。为解决-450水平运输大巷破坏严重的问题，采用岩石Kaiser效应法对-450水平进行地应力测量，为围岩稳定性分析提供了准确的参数。

1试验

1.1试件制取

钻孔取芯位置布置在8#煤顶板泥岩内，距地表的埋深为450 m，顶板岩性基本完整，钻孔打到巷道影响圈之外的原岩应力区，取出未经扰动的岩芯。为了计算原岩主应力和主方向，必须获得6个独立的应力分量，故对钻取岩芯的6个方向进行取芯。首先建立以钻孔水平方向为x轴，铅垂方向为y轴，轴线为z轴的空间直角坐标系，如图1所示。分别沿3个轴线方向以及xoy面45°方向、xoz面60°方向和yoz面60°方向钻取岩芯。制备2组共12块直径为25 mm、高度为60 mm的圆柱形试件，见图2。

图1　定向取芯空间坐标系图

图2　声发射试验岩芯实物

1.2试验过程

岩石Kaiser效应检测系统主要由MTS815型电液伺服岩石力学实验系统进行加载，采用位移控制模式，加载速率为0.003 mm/s和0.004 mm/s，声发射测定采用AE-04声发射检测系统。试验过程由计算机全程控制检测，并自动采集试验数据。

2试验结果与围岩稳定性分析

2.1试验结果

对12个岩块试件进行地应力测试，分析计算6个方向的应力分量值，见表1。一点的地应力状态由三维地应力张量表示，要明确表示出该地应力状态，必须确定合适的坐标系，经坐标转换可得大地坐标OXYZ下的地应力，见图1。大地坐标下的地应力测试结果见表2，主应力空间矢量关系图如图3所示。

表1　各方向应力分量值

2.2地应力场分布特征及围岩稳定性分析

(1)上述测量结果表明，涡北矿区-450水平属中高应力场区。

表2　主应力大小及方向

图3　主应力空间矢量关系图

(2)上覆岩层的平均重力密度γ=2.4 g/cm3，其自重应力约为10.58 MPa，实测铅垂应力分量为9.18 MPa，说明该区域内存在构造应力。

(3)根据最大水平应力理论[10]，巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响：①与最大水平主应力平行的巷道，围岩稳定性好；②与最大水平主应力斜交的巷道，围岩的变形偏向巷道的某一侧，且可以预测出来；③与最大水平主应力垂直的巷道，围岩稳定性最差，易发生失稳破坏。测量结果显示：测量区域内沿东西方向的水平挤压应力分量Px较大，其作用方向正好与运输大巷正交，较大的水平作用力不利于巷道的维护，在今后的施工中应加强侧帮支护。

2.3UDEC数值模拟

以往的数值模拟和锚杆支护设计，由于没有对地应力进行测试，往往仅考虑垂直应力的作用。本文进行的锚杆支护围岩稳定性数值模拟计算，将3个主应力换算为作用在巷道上的垂直应力和轴向水平应力，充分反映了地应力对巷道围岩稳定性的影响，进一步完善了锚杆支护的科学性、合理性。

UDEC离散元数值分析的主要参数及取值如表3所列，将3个主应力分解、叠加计算得出，施加在模型上边界的垂直应力为9.18 MPa，水平应力为9.42 MPa；采用20螺纹钢锚杆进行支护，间排距为800 mm×800 mm，长度L分别为1 800 mm和2 000 mm。计算结果如图4所示。