张集煤矿北区原岩应力实测与分析

王传兵 丁晨曦 张继兵

(1. 淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽省淮南市，232001；2. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京市海淀区，100083；3.淮南矿业(集团)有限责任公司张集煤矿，安徽省淮南市，232001)



张集煤矿北区原岩应力实测与分析

王传兵1丁晨曦2张继兵3

(1. 淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽省淮南市，232001；2. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京市海淀区，100083；3.淮南矿业(集团)有限责任公司张集煤矿，安徽省淮南市，232001)

采用应力解除法，对张集煤矿北区测点的原岩应力进行实测和分析，得到了各测点原岩应力的大小和方向。结果表明，张集煤矿北区的最大水平主应力分别约为最小水平主应力的1.65～2.79倍和垂直应力的2.58～2.66倍，原岩应力的分布对深部煤矿岩层的变形破坏形式和矿压显现规律均有较大的影响。根据实测发现原岩应力的最大水平应力方向为NWW-SEE方向，为减小原岩应力对巷道围岩稳定性的影响，巷道走向宜布置为NWW-SEE方向。张集煤矿原岩应力的实测和分析对揭示矿压显现规律具有重要意义，对巷道走向布置具有参考价值。

应力解除法 原岩应力 深部开采 矿压显现

原岩应力是存在于地层中的天然应力，是导致工程变形破坏和地质灾难的动力因素，也是工程稳定性分析所必须考虑的要素之一。原岩应力的准确测量对各种岩土工程的开挖设计和地质运动规律的研究均具有重要意义。原岩应力的现场实测是获得原岩应力数据的重要手段，并在实测的基础上进行统计回归分析，能够得到所研究的地质体的主应力大小和方向。原岩应力的测量方法有多种，就应用范围而言，最常用的方法有应力解除法和水压致裂法。本文采用应力解除法对淮南矿业集团张集煤矿北区原岩应力进行实测和分析，进一步揭示原岩应力与矿井巷道布置、巷道围岩稳定性之间的关系，为深部矿井的岩石力学计算和岩体力学模型建立提供可靠的原岩应力参数。

1 张集煤矿地质概况

张集煤矿东南部为陈桥背斜构造，西部的地层走向为北偏西约75°，北部向正北方向延伸。张集矿A组煤首采区为西二1#煤层上采区，采区范围为东至北区1#煤层工业广场煤柱线及延长线；南至西区1#煤层工业广场煤柱线及西翼轨道大巷；西至1#煤层风氧化带底界和F209断层；北至1#煤层风氧化带底界及Fs866断层。西二1#煤层上采区可采储量1573.67万t；采区总可采出量1262.07万t。

14131工作面为西二1#煤层采区设计5个块段的第三块段。首采面14131工作面地质构造相对简单，影响该工作面掘进和回采地质构造主要为Fs8014断层、Fs8015断层和Fs875断层。另外，开切眼靠近Fs866断层，受其影响附近可能伴生小构造。首采面1#煤层厚度为3.54～8.8 m，平均为7.0 m；煤层倾角在4°～7°之间，平均为5.4°；1#煤层普氏系数为0.83～1.13，平均为0.95。

2 测点选取与实测方法

2.1 测点选取

深部矿井原岩应力的测量就是要确定所研究区域的岩体内部未受扰动和影响的三维应力的大小和方向。一般要在研究区域内选取一定数量测点进行实测。就深部矿井而言，每个采区内的原岩应力测点应该不少于一个。

深部矿井在掘进施工过程中，围岩内部的原岩应力分布状态受到了扰动和影响，因此在进行实测时，用于安装应变传感器的钻孔要避免放置在受影响的区域范围内。根据相关理论分析，巷道掘进施工造成的原岩应力的扰动范围一般是巷道尺寸的3～5倍。但是，在实际的原岩应力测量过程中，由于地质条件和岩体强度的不同，往往与理论分析有一定的差异。而要获得准确的不受扰动的原岩应力区范围，最好的方法是利用不同深度的钻孔进行测量和分析，以原岩应力测量值不发生明显变化的区域为扰动应力区和原岩应力区的分界。

原岩应力的测量需要满足以下几个方面的要求：首先，需要选取灵敏度好、精确度高的应变传感器和配套的采集仪；其次，要结合具体的地质条件和岩层物理力学性质，在合适的区域打测量孔；最后，在钻孔过程中，要保证钻孔的平直度和孔的同心度。原岩应力的测量和计算一般是以线弹性理论为基础的，所以测点应该尽量布置在较为完整的岩体内，避免布置在断层带和破碎带附近，避开采场和巷道的应力集中区，远离较大的采空区等。

根据以上要求，在张集煤矿原岩应力测试中选取了两个测点，分别位于西二1#煤层-536 m疏水巷六号钻场和西三1#煤层底板轨道下山。具体位置如图1所示。

图1 张集矿北区地应力测点布置图

2.2 实测方法

采用应力解除法，对张集矿北区西二1#煤层-536 m疏水巷六号钻场和西三1#煤层底板轨道下山的测点进行原岩应力测量。应力解除法的基本原理为：处于原岩应力场中的岩石受到周围岩体的作用处于三维应力状态，当被从原来的岩体中取出后，弹性能释放会发生膨胀变形，这种变形程度与原来的受力状态有一定的规律。根据这样的变形规律和测量得到的岩石弹性模量，通过换算可以得到该岩石处于原岩应力状态下的应力值和相应的方向。

3 原岩应力实测结果与分析

3.1 西二1#煤层-536 m疏水巷测点

西二1#煤层-536 m疏水巷测点位于疏水巷六号钻场，该巷道两帮为灰色泥岩，岩性比较完整，有利于导孔成型。测点埋深为560 m，钻孔深度为12 m，倾角为4°，方位角为302°。地应力导孔以4°仰角垂直于巷帮进行施工。当钻孔深度达到11.5 m时，更换锥形钻头及E型钻头施工安装应力计的E型孔，E型孔的深度为0.45 m，加上长度为5 cm的锥形孔应力计，总安装深度为12 m。地应力传感器安装后经过24 h的固结作用再进行应力解除，解除过程中有部分应变片失效。根据应力解除数据，作出各个应变片应变变化与解除距离曲线如图2所示。

图2 西二1#煤层-536 m疏水巷应力解除曲线

根据钻孔取芯的力学测定，得到该测点处的岩石弹性模量为41.22 GPa，泊松比为0.32。应用专用的数据处理软件对测量数据进行处理，经过最终处理得到的主应力见表1，将主应力方向汇总在立体网格上，如图3所示。

表1 西二1#煤层-536 m疏水巷原岩应力实测结果

图3 西二1#煤层-536 m疏水巷主应力方向立体网格图

3.2 西三1#煤层底板轨道下山测点

西三1#煤层底板轨道下山测点距离巷道施工面60 m左右，测点埋深为620 m，钻孔深度为12 m，倾角为4°，方位角为300°。根据应力解除数据，做出各个应变片应变变化与解除距离曲线如图4。

图4 张集矿西三1#煤层底板轨道下山应力解除曲线

与西二1#煤层-536 m疏水巷方法类似，得到该测点处的主应力数据见表2，主应力方向汇总在立体网格上，如图5所示。

表2 西三1#煤层底板轨道下山原岩应力实测结果

图5 西三1#煤层底板轨道下山主应力方向立体网格

3.3 原岩应力实测分析

原岩应力实测结果表明，最大的主应力为水平应力，最大水平应力的大小为37.4～38.8 MPa。西三1#煤层底板轨道下山测点最大主应力方位角为108.3°，仰角为-12.5°，方位角与西三1#煤层最大主应力相差无几，将仰角换算成12.5°之后，方位角变为288.3°，与西三1#煤层最大主应力方向一起分布在NWW-SEE方向，如图6所示。中间主应力的大小为13.9～22.6 MPa，方位角为192.3°～207.6°；最小主应力为13.4 MPa，方位角为16.2°～42.3°。根据海姆静水压力理论，测点的埋深为570～620 m，响应的垂直应力的计算值为14.25～15.5 MPa，与实测值相比，理论计算值偏大。两个测点的最大水平主应力、最小水平主应力和垂直应力见表3。

图6 测点最大主应力方向分布立体网格

表3 原岩应力测量部分结果

根据实测结果进行综合分析，张集矿北区的原岩应力具有以下特点：

最大水平主应力约为垂直应力的2.58～2.66倍，原岩应力的分布对煤矿深部岩层的变形破坏形式和矿压显现规律均有较大的影响；最大水平主应力约为最小水平主应力的1.65～2.79倍，说明水平应力的分布对巷道掘进施工的影响具有明显的方向性。此外，发现最大水平应力的方向为NWW-SEE方向，为减小原岩应力对巷道围岩稳定性的影响，巷道走向布置以NWW-SEE方向为宜。

4 结论

(1)结合淮南矿业集团张集煤矿北区的地质特征，在西二1#煤层-536 m疏水巷和西三1#煤层底板轨道下山分别选取测点。根据应力解除法的实测结果和分析，在所选测点中，最大水平主应力为38 MPa 左右，最小水平主应力为13.9 MPa，最大水平主应力为最小水平主应力的1.65～2.79倍，浮动区间主要受到最小主应力变化范围较大的影响，可见巷道掘进施工的方向性很大程度上将受到水平应力的影响。

(2)各测点处的垂直应力平均为14.5 MPa，最大水平主应力为垂直应力的2.58～2.66倍，原岩应力的分布对煤矿深部岩层的变形破坏形式和矿压显现规律均有较大的影响。

(3)最大水平应力的方向为NWW-SEE方向，为减小原岩应力对巷道围岩稳定性的影响，巷道走向布置以NWW-SEE方向为宜。

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(责任编辑 陶 赛)

Field test and analysis of in-situ stress in the North district of Zhangji Mine

Wang Chuanbing1, Ding Chenxi2, Zhang Jibing3

(1. Huainan Mining Industry (Group) Co., Ltd., Huainan, Anhui 232001, China;2.School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China;3.Zhangji Mine, Huainan Mining Industry (Group) Co., Ltd., Huainan, Anhui 232001, China)

Using stress relief method, in-situ stress of the gauging points in the North district of Zhangji Mine was tested and analyzed, the magnitude and orientation of in-situ stress were obtained. The results showed that the maximum horizontal principal stress was about 1.65～2.79 times of minimum horizontal principal stress and 2.58～2.66 times of vertical stress, the distribution of in-situ stress had great effects on rock deformation and mine pressure behavior in deep coal mine. According to field measurements, the orientation of maximum horizontal principal stress was NWW-SEE. In order to mitigate the impact of in-situ stress on surrounding rock stability, the orientation of roadway should be NWW-SEE as well. The field test and analysis on in-situ stress in Zhangji Mine were important for revealing mine pressure behavior, and it had referential meaning for the planning of roadway layout.

stress relief method, in-situ stress, deep mining, mine pressure behavior

国家自然科学基金(512742003，51404273)

王传兵，丁晨曦，张继兵 . 张集煤矿北区原岩应力实测与分析 [J] . 中国煤炭，2017，43(5)：43-46. WangChuanbing, Ding Chenxi, Zhang Jibing . Field test and analysis of in-situ stress in the North district of Zhangji Mine [J] . China Coal，2017,43(5)：43-46.

P554

A

王传兵(1970-)，男，安徽濉溪人，硕士，高级工程师，现任淮南矿业集团设计院副院长。