煤矿地质应力测量及应力分布特征研究

李 江，杨 靖

(河南能源化工集团 永煤公司地测部，河南 永城 476600)

煤矿开采涉及到的技术包括在采煤中的工作面=保护、巷道布置与保护、采煤方法与技术、岩体工作面特征、岩体破坏规律，岩层控制、机理及防治土层冲击压力、煤气排放、煤矸石利用、土层荷载等，找出煤矿井下应力分布规律对安全有效运行具有重要意义。我国西北部的煤炭储量广阔，包括小规模煤矿，其中一些煤矿的开采深度只有几十米。虽然浅层矿体有不同的定义，例如，一些科学家认为埋藏深度不超过150 m，岩石与荷载层厚度的比值小于1，以压入具有明显荷载运动的浅埋层为小规模煤矿。本文针对浅层矿体，确定了埋藏深度不超过200 m[1]，采用上层岩体重量计算的垂直应力不超过5 MPa的煤矿地质应力进行研究。本文根据浅井煤矿的地应力测量数据，对浅井煤矿井下应力分布特点及规律分析，得出地应力的主要影响因素，并与矿井深度地下应力测量结果进行比较，揭示矿井深处地表应力和地下应力分布的差异。最后，通过分析实例，介绍了煤矿井下应力在煤柱尺寸优化和支护设计中的测量结果。研究成果为煤矿地质应力测量提供了依据。

1 煤矿地质应力数据收集和处理

1.1 数据常规来源渠道

矿井地质应力数据库来自两个来源：主要是全国煤炭生产研究院856个点的水力压裂测量数据，占到数据总量的55%。同时包括从高等院校和研究机构研究生的科学著作、地质试验报告中收集的数据，国家有关领域的重要期刊，共计412个矿井应力测量数据和156个地面钻井水力压裂测量数据。地面钻井水力压裂数据占到总数据的12%。数据包括测点深度、井眼倾角和方位角、三主应力、倾角和方位角，部分测点有力学参数[2]，如岩石弹性模量、泊松系数和抗压强度.根据本文建立的矿山井下应力数据库包含265多个矿井的实际工程数据，覆盖全国主要煤炭地区。矿井分布的范围为地理纬度为27.55°N—49.25°N，地理经度84.24°E—131.34°E。煤矿地质应力测试点的最小深度为8 m，最大为1 283 m，包含多个深度的矿井开采数据。

1.2 数据处理

传统的数据测量是通过竖井内布置传感器得到平面应力，可测量水平面上的2个主应力水平和最大应力方向，垂直应力按测量点上的数据估算。用于测量点上的三维应力，可以测量煤岩全应力断裂时单井三维应力，包括3个主应力值、方位角和倾角。本文采用弹性力学应力变换公式将三维应力数据转换为水平和垂直应力数据并通过两个数据的统计分析平面应力。局部地应力测量地点在工作面或巷道掘进过程中的侧壁。

本文主要研究了煤矿井下岩体应力分布规律，因而必须删除采矿应力影响测量点的数据。方法将地应力数据分散到标记点，标记大散点的数据方向，分析对测量点的影响。排除受采矿影响的现场压力数据，以尽量减少对数据统计回归分析结果的影响，保证数据不是非常分散的。但是并不是所有收集到的现场压力数据都是有效的，需要选择和提取不寻常的数据。首先删除点深度、主应力大小和方向的数据[3]。对于二维应力，采用实测主应力和最小应力的直接分析，此方法和处理三维应力数据的方式不一样。

2 矿井地应力测量技术

2.1 测量方式

水力压裂应力的测量可以在井上或在巷道内进行。为了从地面测量应力，从井上钻垂直钻孔，并用跨封隔器密封一段。然后，将密封段用水缓慢加压，直到钻孔壁因拉伸失效而破裂，并引发水力压裂裂缝。通过记录压力与时间的曲线，观察断裂的形状和方向，可以估计最大和最小主应力的大小和方向[4]。垂直应力可以从覆盖层的重量来估计。

在本研究中，所有的应力测量均在地下巷道上进行。对于平面应力测量，在巷道屋面中部向上钻孔，以测量水平面上的最大和最小主应力，如图1所示。 由于钻孔深度仅为20～30 m，在测量过程中可以获得设定范围内的数据。煤岩裂隙的发展可以得到密切控制，在第一个压裂周期中，裂隙可能明显打开，因此很有可能存在完全闭合的裂隙[5]。在这种情况下，可以估计出最大的水平主应力。

图1 水压地应力测试原理示意Fig.1 Schematic diagram of hydraulic geostress test principle

垂直井的轴垂直平面上的最大水平主应力的方向为断裂方向。压模封隔器和指南针被用来确定裂缝的方向。压模封隔器由一个涂有软橡胶的可充气元素组成。当封隔器膨胀时，涂层被挤压到裂缝中，从而在表面留下永久的印记。根据孔内印记封压器的已知方向，可以推导出水平主应力的方向。

2.2 试验地点选择

远离工作面和其他开挖，消除引起的动态和残余地质的影响。此外，试验段应放置在远离巷道顶层的地方，以消除由巷道开挖引起的应力。我国地下煤矿道路的典型宽度和高度分别为3.5～5 m和2.5～3.5 m。深度为20～30 m的钻孔适用于应力测量[6]。由于煤层本身强度较弱且性质高度断裂，通常很难在煤层中找到完整的钻孔部分。因此，钻孔应钻到相对完整的岩层中。如果钻孔钻到设备极限后，没有完整的煤岩部分，应放弃钻孔，重新钻孔。要进行压裂的完整岩石段的长度必须大于1.2 m。选择钻孔完整部分的过程包括分析井井的完整性，以及使用钻孔摄像机观察井壁。

2.3 试验程序

测试分以下阶段进行[7]。

(1)泄漏测试。在压裂试验前，检查所有管道的压力不大于15 MPa，以确保无泄漏发生。

(2)跨式封隔器插入钻孔至所选的试验间隔，如图2所示。

图2 地下入口水力压裂应力试验示意Fig.2 Schematic diagram of hydraulic fracturing stress test at underground inlet

然后充气，密封试验间隔，检查其泄漏情况。将水注入试验间隔时间。当压力增加到一个特定的值时，高压泵就会被关闭，该值应尽可能大，而不会根据道路岩石性质发生裂缝。通过分析压力随时间下降的趋势，可以评估试验间隔的泄漏情况。如泄漏严重，应放弃试验间隔，并选择一个新的试验间隔。

(3)断裂测试。试验水再次以快速流量注入试验间隔，直到井壁发生水力断裂，此时泵关闭。压力稳定后，管道连接到空气中，阀门打开，使水排出。在第一个压裂循环中，应选择足够高的流量，以确保只发生一次重大断裂。

(4)重新打开测试。重新打开试验通过注入与前一个压裂周期相同的速率进行。水再次注入试验间隔，直到裂缝重新打开。压力与时间曲线偏离其线性增加趋势时，将压力定义为重新打开的新压力数据。当管道与空气连接时，泵关闭，记录压力与时间曲线。重新开试验通常包括3～4个周期，以确保良好的试验记录。

(5)断裂图像。水力压裂试验后，将压印器和方向指示器插入钻孔直至诱导裂缝位置段。压力并保持0.5～1 h[8]，然后去除。断裂的痕迹被绘制在橡胶薄膜上。最后，利用钻孔摄像机观察了裂缝的形状和方向，并与裂缝印模进行了比较。每个钻孔应选择3～5个试验间隔，以提高试验数据的质量和可靠性。

3 单孔应力测量结果分析

为掌握山西某矿山巷道顶不同深度岩体应力特征，按照图3进行了井下应力测量。在工作面巷道中不同深度的多次水压破裂。两条巷道都穿过煤层底部，煤层厚度约为3 m。测量结果见表1。

表1 单孔应力测量结果Tab.1 Single hole stress measurement results

由于巷道上层的垂直布局，在表中自然增加了上面板表面的深度，实测钻孔顶层应力分布如图3所示。

图3 巷道围岩应力与试验深度的变化曲线Fig.3 Variation curve of surrounding rock stress and test depth of roadway

应力测量结果表明，在单孔应力测试情况下，浅埋煤矿180 m长的面板被开采，而两边的其他2个侧壁则没有。因此，测试环境没有考虑液压支护的效果。底板以上地质应力分布示意如图4所示。以此类比，第2线表示初级岩石应力的2倍，第1线是应力增加区与凹陷区的边界。煤柱监控设备的安装与布置如图5所示。在负载力的作用下，应力系数小于1[9-11]。特别是这个区域的大部分区域在0～0.5。在顶煤作用下，应力系数大于1，这是一个应力增加区域。当顶煤与地面的距离越近，应力系数越大。该系数随深度而减小，并在2.5时达到峰值[12]。该巷道区域的平均应力系数为2。

图4 底板以上地质应力分布示意Fig.4 Schematic diagram of geological stress distribution above the floor

图5 煤柱监控设备的安装与布置Fig.5 Installation and layout of coal pillar monitoring equipment

4 工程实例

采用的钻孔应力计为ZLGH-40型。 测试孔的直径为40 mm，在同一路段分配两组(每组6个监测点)。浅埋煤矿各个监测段的距离分别为1、2、3、4、5、6 m。数字1、3、5、7、9和11为水平应力设计，数字2、4、6、8、10和12为垂直应力设计，如图5所示。地面位移监测点、多点伸长仪、钻孔应力计均距地面1.2 m。点间的间隔空间约为0.8 m。

钻孔应力计在浅埋煤矿不同监测点的垂直应力和水平应力数据随距离工作面的距离而变化。垂直和水平的应力增量如图6所示。

图6 垂直和水平应力的增加与远离工作面的距离之间的曲线Fig.6 Curve between the increase of vertical and horizontal stress and the distance away from the working face

具体来说，立柱0～2 m区域垂直应力增加速度较小，而2～4 m区域垂直应力增加速度明显，最大应力为4 MPa。4～6 m区域的应力增加在三个区域中最为明显，其值约为18 MPa。此外，随着距离工作面距离的减小，柱内0～2 m区域的水平应力的增大要小于3～4 m区域，峰值在4 m点处。与5 m点的应力增加最大相比，6 m点的应力增加最大。

对于某巷道的应力分布，采用同一点不同距离变换的方法计算同一路段的应力分布，例如10、20、60 m等6个监测点，垂直应力和水平应力曲线如图7所示。

图7 远离工作面的垂直和水平应力增加曲线Fig.7 Vertical and horizontal stress increase curve away from working face

从图7可看出，随着距离工作面距离的减小，各孔应力的垂直应力都会增大，钻孔点深度越大，应力的增大值越大。具体来说，0～2 m区域的垂直应力的体积增加较小，而2～4 m区域的应力明显上升。最大增加应力在4～6 m区域，约18 MPa。结果表明，竖向应力在柱子的核心区显示出很明显的增加，但没有表现出正态分布。 与裂缝扩展的结论相比，两种研究结果是一致的。在超前支护作用下，煤柱出现煤岩变形和裂缝向巷道中心扩展，为围岩能量释放提供了部分空间。这种机制导致钻孔不同深度处的垂直应力增加。

进一步细分，存在 3 种应力场，其中σV，σH，σh分别为垂直主应力、最大水平主应力与最小水平主应力：①σH>σV>σh型，共 31 个测点，占总测点数的33.2% 。②σH>σh>σV，共 53 个测点，占总测点数的62.2% 。③σV>σH>σh，共 4 个 测点，占总 测点 数的4.6% 。

地应力散点分布如图8所示，在浅部煤矿井下地应力场中，大部分情况下，最大水平主应力为最大主应力，垂直应力为最小主应力，最小水平主应力为中间主应力。在全部测点中，最大应力值为14.61MPa，最小值为0.95 MPa。最大主应力≥10 MPa 的有 13 个测点，5～10 MPa 有 54 测点，小于 5 MPa 的有 21个测点。所测浅部煤矿井下地应力最大值 85% 属于低地应力值(0～10 MPa)。

图8 地应力散点分布示意Fig.8 Schematic diagram of distribution of ground stress scatter points

5 结语

(1)受地质条件、岩石性质、地形、地表退化、气候、温度等因素影响，浅埋煤矿的地应力测量数据有很大随意性，现场力值随测点埋深的变化特性不易观察。

(2) 浅埋煤矿的原地应力场以σH>σh>σV型为主，水平应力占据绝对地位。最大和最小水平应力可分别达到主垂直作用力的4倍和2倍以上。

(3) 浅埋煤矿主水平最大应力与主垂直应力之比主要集中在1～3；主要最小水平应力和主要垂直应力之间的比例在大多数情况下为0.5～2.0；主要水平平均应力和主要垂直作用力之间的比例在大多数情况下为1.0～2.5。

(4) 浅埋煤矿主最大应力、主最小应力和主垂直应力差异性较大，最大比值大于2。比例越高，所体现出的岩体中的剪应力越大，剪切破坏的可能性越大。然而，浅埋煤矿的地应力值并不大。即使浅埋煤矿的地应力值很大，剪切力的值也不一定很大。

(5) 在保证安全效果和巷道支护的基础上，根据现场应力测量数据对煤和巷道支护参数进行优化，可提高煤炭资源回收率，提升企业经济性。