余吾煤业南翼采区地应力实测分析

郝 军，李 磊

(潞安集团余吾煤业有限责任公司,山西 长治 046103)

余吾煤业南翼采区地应力实测分析

郝 军，李 磊

(潞安集团余吾煤业有限责任公司,山西 长治 046103)

针对余吾煤业南翼采区埋深大、褶皱复杂和地应力基础数据缺失的问题，为了掌握三维地应力分布规律，服务于巷道布置和支护参数优化。采用基于完全温度补偿技术的地应力解除测量技术对该采区进行了地应力测试，测量分析得到了三维地应力的大小和方向，最大水平主应力方向接近东—西向，最小水平主应力方向接近南—北向，最大水平主应力值为垂直主应力值的1.252～1.361倍(侧压系数)，表明矿区主要受水平构造运动影响为主。根据测量和分析结果给出了巷道锚杆支护的建议。

地应力；应力解除法；空心包体；温度补偿

0 引言

余吾煤业正在准备的南翼采区平均埋深500～600 m，同时，该区又受雁行型褶皱构造影响，应力条件较复杂，井下工程围岩开始产生非线性变形特征，给生产带来很大的困难，迫切需要测试掌握该区地应力分布规律，进行围岩稳定性分析，实现采矿工程开采设计的科学化决策[1～5]。地应力测试技术经过国内外学者的不懈努力取得丰富成果，测试按照原理不同，测量方法分为直接法和间接法两大类，其各有优缺点[6-7]。其中，应力解除法不但是目前间接法中技术最成熟一种测定地应力的方法，而且是唯一的通过一孔测量就能比较准确地测定一点的三维原岩应力状态的方法[8-9]。对于矿山来说，使用应力解除法更具有独特的条件，因此，在矿山使用应力解除法测量地应力是最经济合理的方法。

1 地应力测试区概况

井田内褶曲以北北东～南北向为主，贯穿全井田的褶曲自西向东依次有坪村向斜、余吾背斜、余吾向斜、苏村背斜及屯留向斜。其中以西部的坪村向斜和东部的苏村背斜构成井田内煤层起伏的基本形态。井田内各种工程揭露的断层共34条，其中正断层10条，逆断层24条。南翼采区断层共12条，正断层5条，逆断层7条，上述断层，正断层主要分布于南北井田边界，逆断层主要分布于井田中部，详见图1所示。

图1 地应力测试区主要构造分布

2 余吾煤业南翼采区地应力测试

2.1 主要测量步骤

基于完全温度补偿技术的应力解除法具体实施步骤如下：

(1) 从地下峒室岩体表面向岩体内部打大孔(仰角3～5°)，直至需要测量岩体应力的部位。大孔直径130 mm，此次大孔深度为10～12 m。

(2) 用磨平钻头磨平大孔孔底，用锥形钻打出喇叭口，之后打同心小孔，供安装探头用，小孔深度30 cm。

(3) 用一套专用装置将测量探头安装(胶结)到小孔中央部位，胶液凝固时间约为24小时。如图2所示。

图2 探头安装

(4) 用薄壁钻头继续延深大孔，从而使小孔周围岩芯实现应力解除。由于应力解除引起的小孔变形或应变由包括测试探头在内的量测系统测定并通过记录仪器记录下来。

(5) 将岩体中解除下来的岩芯与探头一并取回，进行围压率定试验以及温度标定试验。

(6) 进行数据修正和处理，计算地应力值。上述步骤，如图3所示。

2.2 应力解除试验结果

地应力测量2个测孔的应力解除试验曲线，如图4和图5所示。各测点的应力解除曲线基本上显示了相同的规律性，在套孔解除深度未达到测量断面前，各应变片所测得的应变值一般很小。最大的应变值发生在套孔钻头通过测量断面附近的时候。当套孔深度超过测量断面一定距离后，应变值逐渐稳定下来，曲线趋于平缓。最终的应变稳定值将作为计算地应力的原始数据。

在进行钻孔过程中，为充分掌握测点区围岩的物理力学性质，均对每一孔的岩芯进行了编录，见表1。

现场应力解除岩芯，如图6所示。

表1 测点位置和钻孔情况描述

图3 应力解除法测量步骤示意图

图4 1#孔应力解除曲线

图5 2#孔应力解除曲线

图6 应力解除岩心

2.3 套孔岩芯温度标定试验结果

为了使用新的完全温度补偿技术，必须进行套孔岩芯的温度标定试验。

试验时将套孔岩芯置于一个可调温的恒箱中。根据数据采集器记录的结果，经温度标定后，减去应变由于温度影响而产生的变化，得到8个

测点各应变片的计算应变值，见表2。测点均有12支应变片测得12个方向的应变值。表2中，A0、A45、……C135分别代表12支应变片。其中，A、B、C代表三组应变花，每组应变花由4支应变片组成，下标数字(0，45，90，135)表示该应变片与钻孔轴线方向的夹角。

2.4 余吾煤业南翼采区地应力测试结果

由经过温度标定的应力解除应变值和围压率定试验结果，并结合理论计算，得出地应力测试结果，见表3。

根据地应力计算结果，得出每组测点地应力数据的赤平投影图，如图7所示。

表2 温度应变率标定结果

表3 地应力计算结果

图7 地应力赤平投影图

2.5 余吾煤业南翼采区地应力分布特征

通过对现场实测和理论计算，得出了余吾煤业南翼采区地应力主要分布规律如下所述：

(1) 最大水平主应力方向为101°～104°；最大水平主应力数值大小为14.621 MPa～15.703 MPa。

(2) 测点竖向主应力方向与竖直线的夹角为5.7°～10.88°范围内变化；应力数值大小为11.538 MPa～11.679 MPa，接近上覆岩体的自重应力。

(3) 最大水平主应力值为垂直主应力值的1.252～1.361倍(侧压系数)，说明矿区主要受水平构造运动影响为主。

(4) 最大水平主应力方向接近东—西向，最小水平主应力方向接近南—北向。

3 结论与建议

(1) 通过采用实现完全稳定温度补偿的地应力解除测量技术进行了地应力测试，测量分析得到了余吾煤业南翼采区三维地应力的大小和方向。

(2) 最大水平主应力方向接近东—西向，最小水平主应力方向接近南—北向；最大水平主应力值为垂直主应力值的1.252～1.361倍(侧压系数)，说明采区主要受水平构造运动影响为主。

(3) 建议南翼采区巷道支护使用高预紧力锚杆，顶锚杆采用强度大、刚度大、抗剪阻力大的杆体材料，以控制顶板岩层的相互滑移与离层；帮锚杆采用抗拉伸能力强、延展率大的杆体材料，以约束两帮煤体的塑性变形，防止片帮现象。

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In-situ stress measurement and its relationship to regional geologicalstructures in southern wing of Yuwu coal mine

HAO Jun，LI Lei

(YuwuCoalIndustryCo.Ltd.,Lu′anGroup,Changzhi, 046103,China)

Yuwu coal mine in the southern wing is deep-buried, and fold-developed, and lack fundamental data of ground stress. In order to understand the 3D stress distribution and further help to roadway layout design and support optimization, ground stress was measured; the technique of fully temperature compensation based stress relief method was applied. The direction and magnitude of ground stress was obtained. It turns out that the maximum principal stresses parallels E-W, and the minimum principal stress parallels N-S direction. The ratio of maximum and minimum principal stresses is between 1.252-1.361(side pressure coefficient). The result shows that coal mine are mainly influenced by horizontal tectonic movements. Anchor-based support system was proposed.

In-situ stress; stress relief method; hollow inclusion; temperature compensation

2017-01-15

郝军(1981-)，男，山西长治人，大学毕业，潞安集团余吾煤业有限责任公司工程师，主要从事采矿工程技术管理工作。E-mail：154214806@qq.com

TD311

A

1672-7169(2017)01-0056-05