千米深井地应力测试技术研究与应用

邢世坤

（冀中能源股份有限公司 邢东矿，河北 邢台 054000）

大量的煤矿开采实践表明，生产过程中发生的动力现象如巷道变形、顶板来压、冲击地压、瓦斯突出等都与矿井地应力有密切的关系。在进行数值模拟和巷道支护设计时，地应力参数往往都是以静水压力理论为依据计算得来的。据统计，随着煤矿开采深度的增大，基于静水压力的理论计算值的误差增大，在现场应用中造成支护设计等不符合现场要求，给煤矿安全生产带来隐患。为此，在深部矿井开展地应力测量，具有重要的意义。

1 概 况

邢东矿于2001 年11 月建成投产，目前开采山西组2 号煤层，邢东矿地表被第四系松散沉积物覆盖，属于全掩盖区。所采煤层为2 号煤，位于山西组下部，是井田最主要的可采煤层，此次原位地应力测试的1200 采区1224 区段，其煤层及其顶底板岩性的分布如图1 所示。

图1 1224 工作面综合柱状图Fig.1 Synthesis column of No.1224 Face

2 井下地应力测试

2.1 试验地点选择

当前常用的地应力测量方法有空心包体钻孔应力解除法和水压致裂法2 种。水压致裂法是一种二维的测量方法，仅能确定最大和最小主应力，对中间主应力测量难度大甚至无法测量，而应力解除法可以通过12 个应变片对钻孔围岩内的应力进行准确的测量。结合邢东矿的实际情况，确定采用空心包体钻孔应力解除法。

此次现场测试目的是获取邢东矿1200 采区1224 区段的地应力测试数据，地点是根据1224 区段已知地质构造、煤层及顶底板的强度等生产地质条件资料，先在矿井采掘工程平面图上预选出一些可行的位置点。测点位置尽量选取受采动影响较小并且远离断层等地质构造带的区域，在图纸上初步选取位置后，井下进行现场踏勘确定。最终选取邢东矿2 处地应力测试任务点，分别编号为1 号、2号测点。1 号测点位于1300 集中运料巷中部，距离密闭墙73 m 处，沿掘进方向右帮，2 号测点布置在1200 集中运料巷导G28A 前32 m 右帮处，2个测点布置如图2 所示。在2 个测点巷帮距巷道底板1.5 m 施工钻孔，向上倾斜3°～5°，钻孔深度为10 m，如图3 所示。

图2 地应力测量测点布置Fig.2 Measurement points arrangement of in-situ stress test

图3 地应力钻孔示意Fig.3 Drilling indication of in-situ stress test

2.2 测试步骤

地应力测试分4 个步骤进行。

2.2.1 施工地质钻孔

采用专用的钻头，在测点巷帮指定位置施工钻孔，钻孔直径为133 mm，钻孔角度不宜过大，采取近水平施工，以保证应变计的安装位置位于原岩应力区。

当钻孔至预定长度时，取出岩芯，并编号套袋保护岩芯。之后，采用长370 mm，直径40 mm 的小钻头打空心包体小孔，如图4 所示。

图4 套孔施工Fig.4 Hole construction

2.2.2 安装空心包体

将配制好的环氧胶倒入应力计的空腔，用铝丝销子进行固定，将空心包体安装到定位器上，伸入测量钻孔内，然后将环氧胶挤出，使得包体与钻孔孔壁紧密贴合，如图5 所示。

图5 空心包体探头安装Fig.5 Hollowinclusion probe installation

2.2.3 取导向杆

15 h 后，环氧胶完全固化，利用定向仪测量钻孔内包体的角度，同时记录钻孔参数。之后，取出安装钻杆和定向仪。

2.2.4 应力解除

将空心包体的导线电缆从取芯管、钻杆孔、钻机和改装过的水节头穿出，连接到数字应变仪上。开动钻机注水，读取记录应变仪上的读数。套筒取芯，作应力解除，此时应变仪上应变数值会变化，并自动将应变数值记录在应变仪中，套芯结束后，取出带有空心包体的岩芯，将岩芯包裹好，防止岩性发生改变，将岩芯带到地面，准备下一步试验。取芯过程如图6 所示。

图6 应力解除Fig.6 Stress release

3 地质力学评价

3.1 测孔岩芯物理力学性质试验

通过加载使试件轴向压缩和轴向膨胀，带动表面的横纵应变片变形，通过连接计算机可以测得应变片应变，即被压缩试件的横纵应变值。该试验可以由试件破坏时的破坏载荷得到岩石的抗压强度Rc；通过岩石应变，由应力- 应变曲线得到岩石的弹性模量和泊松比。

岩石劈裂试验是通过对块状试件侧面加压来达到拉应力的效果，通常采用“巴西劈裂法”对圆盘试件或方片式试件进行加压试验达到拉伸的效果，求得岩石的抗拉强度为σt。

根据试验数据计算得到2 组试件的抗压强度、弹性模量和泊松比，见表1。

表1 岩样单轴抗压强度数据汇总Table 1 Data summary of uniaxial compressive strength of rock sample

3.2 测孔岩芯的地质力学评价

以1 号测点为例，地质力学评价如下。

（1） 岩芯描述。地应力测试过程所取岩芯完整，根据颜色及岩石颗粒判断，岩性为砂岩。

（2） 普氏评价。岩石的单轴抗压强度为86.5 MPa，普氏系数为8.7，抗压试验前岩样表面平整，未发现裂隙存在，试验过程中岩石出现纵向裂隙，并且发出较大声音，由此判断岩石储量的弹性能较大，并且岩石的弹性模量为31.09 GPa，综合判断该岩石属于硬岩。

（3） RQD 评价。现场采用外径133 mm 的套筒取芯，记录取芯总长度为2.5 m，其中长度大于10 cm 的岩芯测量总长度为1.6 m，由RQD 计算方法，计算得到1 号岩芯的岩石完整性指数为64%，根据岩石工程分级，岩石取芯完整性中等。

综合以上对1 号钻孔岩芯评价，可知其岩性为白色砂岩，岩石颗粒致密，强度高，完整性中等，岩石质量较好。

4 试验数据整理及分析

4.1 地应力测试数值整理

4.1.1 1 号孔地应力测试结果

1 号钻孔处所测得的地应力大小和方向数据见表2。

表2 1 号测孔主应力大小和方向Table 2 Principal stress magnitude and direction of No.1 measuring hole

4.1.2 2 号孔地应力测试结果

2 号钻孔处所测得的地应力大小和方向数据见表3。

表3 2 号测孔主应力大小和方向Table 3 Principal stress magnitude and direction of No.2 measuring hole

4.2 地应力测试分析

综合1 号、2 号两个测点的观测结果，邢东矿地应力的分布见表4。

通过表4 可以看出，邢东矿地应力呈现出如下特点。

表4 邢东矿地应力测试数据汇总Table 4 Stress test data summary of Xingdong Mine

（1） 地应力大。本次测试，2 个测点埋深在809～820 m，从测试结果来看，邢东矿地应力总体较大，1 号测点最大水平主应力为33.1 MPa，2 号测点最大水平主应力为32.5 MPa。

（2） 原岩应力场以水平应力为主。2 个测点均表现出σH＞σv＞σh，即水平主应力为最大主应力，而水平应力主要作用于巷道顶底板，因此在实际生产中应加强支护。

（3） 侧压系数。2 个测点1 号、2 号侧压系数分别为1.81 和1.45，矿井水平应力较大，存在构造应力的影响因素。

5 结 论

（1） 应力解除法可以通过12 个应变片对钻孔围岩内的应力进行准确测量，结合邢东矿的实际情况，确定采用空心包体钻孔应力解除法进行地应力测量。

（2） 邢东矿顶板岩石的单轴抗压强度为86.5 MPa，弹性模量为31.09 GPa，岩石完整性指数为64%，岩石取芯完整性中等，岩石颗粒致密，强度高，完整性中等，岩石质量较好。

（3） 邢东矿地应力总体较大，其中水平应力为最大主应力，且水平应力数值较大，存在构造应力，在实际生产中应加强对巷道顶板的支护。