兴安矿区深部地应力测试及支护方案研究

连鸿全，亢鑫超

(1.黑龙江龙煤鹤岗矿业有限责任公司， 黑龙江 鹤岗 154100； 2.中国矿业大学， 北京 100083)

巷道支护工程的稳定性，主要取决于围岩强度、岩体应力状态和支护体强度。关于地应力测量及巷道围岩支护稳定，不同学者做了大量研究。杨振茂等[1]确立了一种包括“地应力测试—地质力学评估—初始设计—现场监测—反馈信息—修改设计”的煤巷锚杆支护动态设计方法；针对高地应力条件下的深部软岩围岩变形、破坏的特点，康红普等[2-4]通过采用全断面高预应力、高强度锚杆与锚索及注浆联合支护进行加固；侯公羽等[5]通过数值模拟的方法对深部高地应力区巷道支护的过程及方案进行了优化。这些研究成果为类似的深部高地压测试及支护研究奠定了基础。

兴安矿区开采历史悠久，地质构造条件复杂，区内许多矿的开采深度已延伸至500～1 000 m，冲击地压以及煤与瓦斯突出等动力灾害多次发生，造成大量人员损伤及设备损坏。而深部高地应力以及采动叠加应力形成的高应力场的测量及评估对预防冲击地压灾害以及巷道大变形破坏起到重要作用。因此，对兴安矿区矿井进行地应力测试，掌握矿井深部地应力场分布规律，通过现场实验研究及数值模拟分析进行巷道支护设计，为后续开挖巷道的安全支护提供参考。

1 工程概况

兴安煤矿设计能力为450万t/年，矿井服务年限为63.5年。该矿位于鹤岗市兴安区，矿井开拓方式为立井多水平主要石门分区大巷式(一水平)和主要大巷分区石门式(二、三、四水平)。分5个生产水平，+90 m标高以上至露头为第一水平；+90～-100 m标高为第二水平；-100～300 m标高为第三水平；-300～500 m标高为第四水平；-500～700 m标高为第五水平。目前一、二水平已开采结束，三、四水平正在同时开采，采煤方法为走向长壁后退式开采，顶板采用全部陷落法。现三、四水平开采11、17-1、21、22、23、27、30、33号煤层；现五水平正延深。其中四水平17层中部区二段总机道、四水平北11层一二区二段总机道和三水平南边界石门是该次地应力测量的选点位置。

巷道围岩主要为砂质泥岩、泥岩和砂岩，且受断层影响，围岩比较松软破碎。

矿井已进入深部开采，深部高地应力以及冲击地压等动力灾害严重影响该矿安全生产。

2 兴安矿区区域构造体系分析

兴安矿井田位于鹤岗煤田中部，构造应力场方向与煤田构造规律有密切的关联，见图1.

1—鸡西盆地 2—勃利(七台河)盆地 3—双桦盆地4—双鸭山盆地 5—绥滨盆地 6—鹤岗盆地7—浓江盆地 8—挠力河盆地图1 兴安矿地质构造简图

鹤岗盆地为中新生代断陷盆地，在大的构造位置上处于吉黑褶皱系佳木斯地块的西北部，经历了燕山中期、燕山晚期、喜山早期、喜山晚期4期构造运动。根据区域构造体系分析得出，该区域的南北径向构造受后期的新华夏系北东向改造，其控制着该区域地应力场的分布。本区煤系地层走向近北北东，呈长条带状分布，倾向南东的单斜构造，T9断层为主的平推断层是该井田内最近一期的构造，为典型新华夏系构造，可初步判断兴安煤田构造应力场方向为北东东向或近东西向。

3 地应力原位测量

运用地质力学的方法可定性分析兴安矿区区域构造应力的方向，但不能得到准确的深部地应力的量值，难以为矿区巷道支护设计提供可靠的设计依据。为了确定矿井深部地应力的量值，进行了现场原位测量，测量结果不仅可以为力学分析提供验证，对工程建设也具有一定的意义。

3.1 地应力测点位置确定

地应力测量需要精确可靠的传感器及数据采集系统，否则难以满足实验及工程设计要求。该次实验采用空芯包体应力计进行原岩应力的测量。地应力测点位置的选择不仅应具有代表性而且不能影响煤矿内其它施工及生产工序。所选地应力测点的位置见图2.

图2 兴安煤矿地应力测点钻孔位置图

空芯包体应力计测量法要求测试断面需在弹性区内。因此，为确保地应力测量的准确性，应力计安放孔必须保持完整。该实验采用超声波围岩裂隙探测仪以及YSZ(B)钻孔窥视仪进行该次地应力原位测量前，对测点附近的岩石进行了围岩结构完整性的测试，以保证空芯包体应力计可安放在完整岩石中。根据测量结果，一号测点空芯包体应力计安放孔的深度应大于1.0 m，二号测点空芯包体应力计安放孔的深度应大于1.2 m，三号测点空芯包体应力计安放孔的深度也应大于1.2 m.

3.2 空芯包体应力计地应力原位测量

3.2.1空芯包体应力计地应力测量方法

空芯包体环氧树脂三轴应变法的应力解除过程如下：

1) 打大孔：在井下巷道内，用钻机向预定位置的围岩钻进应力解除孔，钻孔深度以围岩结构测试结果为准，钻头d130 mm，钻孔上倾3°～5°.

2) 磨平钻孔孔底。

3) 做锥形孔底：以保证后面的小孔与大孔同轴芯。

4) 打小孔：换上d36 mm的小钻头，打30 cm深的一段小钻孔。小孔打好后应立即清除油污并保证孔壁干燥，否则难以保证黏结剂与孔壁的黏结效果，给实验带来误差。

5) 进行空芯包体的安装。

6) 读取应变仪初始数据：在环氧树脂固化后(一般为20 h)，接通应变仪，待应变仪读数稳定后进行读取。

7) 套芯地应力解除与应变测试：按规定分级解除芯体应力，岩芯会发生弹性恢复。通过芯体上的应变片测出应变值。

3.2.2空芯包体应力计地应力测量结果

兴安矿区各测点技术特征见表1.

表1 兴安矿地应力测点技术特征表

空芯包体应力计测量法本质上是一种应力解除法，即通过一定的位移和应变测量方法及合适的岩石的本构关系模型计算求得地应力的方法。分析各个应力解除阶段测得的应变值，绘制出应力解除曲线(应变仪的读数与应力解除进尺的变化关系曲线)，进行应力解除数据合理性判断，计算出测点所在位置的主应力值和方向，各测点应力解除曲线分别见图3,4,5.

图3 1#孔应力解除过程曲线图

将岩芯在实验室里加工成标准试件，通过室内试验得到其弹性常数，岩石力学参数见表2.

图4 2#孔应力解除过程曲线图

图5 3#孔应力解除过程曲线图

表2岩石力学参数表

测点单轴抗压强度/MPa弹性模量/MPa泊松比兴安1#49.819 3290.24兴安2#47.219 1680.24兴安3#56.318 1020.22

根据应力解除阶段测得的应变数据结果以及测点的技术特征参数、岩石力学参数，通过专业的地应力计算软件得出的地应力测试结果见表3.

表3 地应力测试结果表

3.3 地应力测量结果综合分析

根据3个测点的地应力状态，可以发现兴安煤矿地应力分布存在如下规律：

1) 3个测点的最大主应力方位角依次为113.07°、69.16°、86.6°，最大水平主应力方向总体上为近东西向，个别测点最大水平主应力方向偏差较大，与该点的局部应力场变化和岩层力学性质有关。

2) 3个测点的最大主应力分别为垂向应力的1.27、1.36、2.18倍，说明兴安矿区的地应力场由水平构造应力场占据主导地位。最大主应力约为最小主应力的2.01～2.16倍。

3) 垂直应力基本上等于或者略小于单位面积上覆岩层的重量。

4) 在该深度范围内，可以得出最大主应力梯度为0.041 1 MPa/m，垂直主应力梯度为0.024 8 MPa/m，最小主应力梯度为0.019 6 MPa/m.

4 兴安矿区巷道支护技术

4.1 巷道支护方案

巷道为锚喷支护方式，设计断面形状为半圆拱形，巷道支护图见图6，其支护材料及参数如下：

1) 锚杆：锚杆选用45#左旋无纵筋螺纹钢，d20 mm，锚杆的终锚力为11.2 t，锚杆长度1 600 mm，两帮底角锚杆长度1 800 mm、角度向下30°.每排布置13根，拱顶间距1 000 mm，帮部间距800 mm，锚杆排距为1 000 mm.

2) 锚索：锚索钢绞线应用1860级(d17.8 mm)左捻低松弛钢绞线，每根长度为5.0 m，锚固长度1 000 mm. 锚索排距2 000 mm，每排布置5根，拱顶3根，间距2 200 mm， 垂直巷道表面布置；两帮2根，距底板1 200 mm，垂直巷道打设；锚索预紧力250 kN.

3) 混凝土：喷射混凝土标号(150 kg/cm2)，水灰比(0.45)，配合比(1∶1)，骨料的使用必须达到以下标准：5～10 mm粒径和2～5 mm粒径的颗粒比例各占骨料的50%. 喷射混凝土厚度100 mm.

图6 巷道支护图

4.2 巷道围岩变形数值分析

对于兴安矿区深部巷道出现的大变形问题，采用弹塑性小变形数值模拟计算方法已经不再适用，甚至会得出错误的结论，给工程及实验带来不利的影响。为此，采用了FLAC3D数值模拟软件。

巷道岩体的原岩应力状态是有限元分析的一个重要初始条件，该次模拟对3#测点所在巷道，即三水平南边界石门巷道进行模拟。力学计算模型上边界所受的竖向荷载取实测竖向应力，约为13.9 MPa；计算模型的水平方向的构造应力以外荷载的形式作用于左右两边界，垂直巷道走向方向的力约为5.16 MPa.

该矿区工作面标高-287.2 m，地面标高+276.3 m，埋深563.5 m. 岩性：细砂岩，巷道方位角：90°. 煤层产状：该巷道开门点位于33层煤底板中，现已施工穿过23层煤，即将揭穿22层煤，22层煤预计煤厚1 m左右，倾角29°，半光亮型气煤，硬度中等。建立工程地质模型如下：在确定计算模型时，本构模型采用mo-hr准则。计算模型的几何尺寸为：宽20 m×高20 m×长15 m.

将计算模型划分为17 478个单元，19 513个节点。工程地质模型见图7.

图7 开挖后工程地质模型图

无支护与支护后的数值模拟效果见图8.

图8 计算结果模型图

由图8a)、b)、c)可见，巷道在未支护时变形量极大，导致应力向深部移动，部分位置存在强烈的应力集中现象。未支护时底板存在较大范围的压应力区，容易导致底板沿垂直向开裂破坏成碎块岩体；顶板基本处于水平压应力区，应该注意防范顶板围岩在挤压作用下发生冒顶事故；在两帮上，水平应力理论上为零，但是因为变形量太大，导致应力集中。巷道四周均处在竖向受压状态，其中巷道两侧竖向压应力最大。起拱处有明显的压应力集中区域，应该注意两帮起拱点的侧向挤出。支护后应力条件得到显著改善，不但水平应力、垂直剪应力的最大值降低，应力集中现象也得到极大缓解。

由图8d)、8e)可见，未支护前，巷道变形量极大，两帮水平位移最大达到350 mm,顶板竖直位移有730 mm，底鼓约82 mm,变形量极大。巷道采用锚喷支护后，最终巷道底鼓变形约20 mm，顶板下沉约150 mm，而巷道两帮收缩较均匀，均在200 mm左右。可以很明显的分析出，锚喷支护在控制巷道围岩变形破坏以及改善围岩受力状态发挥了很大作用。同时，数值模拟结果与实际巷道位移观测结果处于同一量级，这一结果也一定程度上表明该次地应力测量是准确的。

5 结 论

1) 通过运用“点-面结合”分析法，即地质力学理论分析和现场原位测量相结合的方法，得出兴安矿区最大主应力方向为近东西方向。

2) 利用空芯包体应力解除法，测量得到的最大主应力值及其方向为：四水平17层中部区二段总机道，最大主应力的方位角是113.07°，大小为30.10 MPa. 四水平北11层一二区二段总机道，最大主应力的方位角是69.16°，大小为32.72 MPa. 三水平南边界石门，最大主应力的方位角是86.6°，大小为30.48 MPa，即3个测点的最大主应力方向为近东西走向。

3) 兴安矿区3个测点的垂向应力分别为23.61 MPa、24.03 MPa、13.95 MPa，测试所得最大主应力分别为30.10 MPa、32.72 MPa、30.48 MPa，最大主应力分别为垂向应力的1.27、1.36、2.18倍，因此该矿区以水平构造应力为主导。

4) 通过实际观测及数值模拟分析证明：在兴安矿区深部巷道采用锚喷支护不仅在技术上可行，也可降低支护成本。

5) 采区巷道应尽量沿东西向布置，可有效减小构造应力对巷道的破坏作用，有利于巷道的稳定与维护。