姚桥煤矿巷道矿压显现异常区域地应力测试与分布规律研究

甘星海

摘 要：针对姚桥煤矿东翼及西翼个别采区复杂地质条件区域巷道维护发生明显不同的问题，通过采用空心包体法对典型区域进行了地应力测试，并根据取得的数据系统分析已掘巷道破坏失效原因，同时将地应力测试结果与后续巷道支护相结合，对此采区巷道施工支护方案提供指导。

关键词：姚桥煤矿；地应力测试；矿压显现；异常区域

姚桥煤矿地应力场主要以垂直应力为主，支护主要考虑垂直应力的作用，水平应力的显现微弱，只作一般的支护。

1 矿井地质条件

本井田第四系冲积层广泛分布，为全掩盖式煤田，经钻探揭示最老地层为寒武系凤山组，最新地层为第四系，本文测试地层位于二迭系山西组地层。

2 测量原理、设备及步骤

2.1 基本原理

应力解除法的基本原理就是，当一块岩石从受力作用的岩体中取出后，由于其岩石的弹性会发生膨胀变形，测量出应力解除后的此块岩石的三维膨胀变形，并通过现场弹模率定确定其弹性模量，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。

2.2 测试装置

该系统主要包括空芯包体应变传感器、KBJ-16井下防爆型智能数字应变仪、现场辅助设备以及相关处理软件四大部分。其中现场辅助设备包括围压率定仪、水平定向仪、扶正器和洗孔器、安装杆、钻头（Φ130mm和Φ36mm）。软件部分主要包括KBJ-16型矿用数字应变仪驱动程序以及空芯包体应力测量数据处理程序。

2.3 测试的主要步骤

应力解除法原岩应力测试按照以下步骤进行：选择测试位置→利用钻机打孔取芯→打空心包体孔→安装应力计→取芯（应力解除）→弹模率定→三维应力计算→反演结果。

原岩应力测量一般在煤矿井下的巷道中进行，应力钻孔普遍采用在巷道内以一定的仰角向巷道顶板岩体中施工，在完整岩体中安装应力传感器进行应力测量。

在选定地应力测量地点施工导孔及安装孔，在小岩芯完整位置安装应力计，然后，用金刚石岩芯筒把内部粘结着应力计的圆柱状岩芯取出，取芯过程中，岩体的应变则由应力计测量出来。

3 测量实践

3.1 测试位置选择

考虑到地应力测试的技术要求和现场实际情况，决定选择两个测点进行地应力实测，1#孔测点位于东六新建放水巷内。

3.2 地应力测量结果分析

3.2.1 测量孔的解除曲线

在两个测点的测量工作中，应力解除过程都比较正常，并能取出带有应力计的完整岩心。应力解除完成后根据应变仪的读数，分布绘制出各测点的应力解除曲线，并由绘制出的应力解除曲线得出各个应变的稳定应变值。

东六轨道下山与新建放水巷交汇处的1#孔进行测量，A应变片正好竖直向上，应变片深度为1055cm，解除开始至解除距离28cm阶段，应变曲线平缓，应变随解除距离的变化幅度很小，说明钻头未推进至应变片位置；当解除距离至28cm后，应变量逐渐增加，当解除至应变片位置即解除距离达30cm时，应变量突然增加，随后应变曲线趋于平缓，解除至40cm后，应变量基本不变，解除至45cm时，应变解除结束。应变解除曲线正常，可作为计算应力的依据。

4 姚桥井田地应力场分布规律分析

4.1 基于矿区地应力回归结果计算姚桥区域地应力

通过对大屯矿区地应力实测结果分析表明，矿区最大水平主应力、最小水平主应力、铅直主应力均随深度呈近似线性增加的关系。姚桥井田地处大屯矿区，根据周钢、李玉寿等人对大屯矿区的地应力回归结果对1#孔和2#孔地应力进行计算。姚桥地应力实测结果表明地应力场符合丰—沛县整体地质构造及地应力场规律。此外不同区域不同岩性地应力场变化很大，总体上来看岩石抗压强度越强，则地应力特别是构造地应力场则越高，从这个角度来说，这些地区受地应力场破坏较为严重，也是支护的难点区域。

4.2 姚桥井田地应力场分布规律分析

（1）东六新建放水巷内1#孔地应力测试结果为：最大主应力σ1为11.7MPa，近似铅垂方向，倾角为82.21°，方位角201.34°，中间主应力σ2为9.7MPa，方位角-41.84°，倾角3.53（近似水平方向）；最小主应力σ3为5.1MPa，方位角228.59，倾角-6.94°。实测铅垂应力分量为11.56Mpa，若取上覆岩层的平均重力密度γ=2.5t/m3估算自重应力（测点深450m），则自重应力约为11.25MPa，两者相差不大；实测最大水平方向应力为9.68Mpa，方位角-41.84°。最大水平方向应力与铅垂应力分量比值为0.8，说明此处以垂直应力为主。

（2）东七四甩道内2#孔地应力测试结果为：最大主应力σ1为15.6MPa，方位角97.81，倾角-12.5°（近似水平方向）；中间主应力σ2为11.8MPa，方位角4.56，倾角-14.34°；最小主应力σ3为9.0MPa，方位角227.37°，倾角-70.79°，接近垂直方向；实测铅垂应力分量为14.8MPa，与上覆岩层重量γH（γ值取为2.3～2.5）相差不大。最大水平主應力为15.22，与垂直应力的比值为1.03。

4.3结论

（1）地应力是造成巷道发生严重变形破坏的最主要的原因，高地应力使得巷道围岩中积聚了大量的弹性能，使围岩处于高围压和高垂直压力下的三轴应力状态，这样围岩处于较稳定的状态，但当巷道或者硐室开挖后，使围岩由三向应力状态转化为两向应力状态或低围压下的三向应力状态，大大降低了围岩的强度和抗破坏能力，围岩出现了由于卸载而产生的破坏。

（2）在高地应力与方向性强的水平地应力作用下，巷道破坏表现有明显的方向性。若巷道上部在以水平地应力为主的典型高应力区控制之下且最大水平主应力与巷道夹角过大，那么巷道极易产生应力集中现象导致顶板或肩角处发生破坏。

（3）对于各个不同的开掘完成的巷道破坏区域治理及后续巷道支护，关键在于对顶板的控制及两帮岩体的支护强度，如采取高性能超强锚杆及高预紧力提高支护强度，大托盘增加支护面积，阻止破碎区的发展，限制塑性区的深入。

（4）针对高地应力区巷道的变形和破坏特点，在考虑支护和加固方案的同时，要考虑解决高应力的释放问题，即卸压问题，原有的高应力是无法通过支护解决的，对于高应力，必须让其得到释放，然后再采取有效的支护措施，保证低应力状态下巷道围岩的后期稳定。

参考文献

[1] 蔡美峰，乔兰，李华斌，等.地应力测量原理和技术[M].科学出版社.