红一煤矿地应力测量及其对巷道稳定性影响研究

＊杨勇 周德琛 程军 张运中 胡光成

（宁夏红墩子煤业有限公司 宁夏 750000）

地应力测量常用来解决采矿、地下建筑施工、工程地质、大地构造研究和其他领域的一系列岩石力学问题。地应力是地下采矿工程设计的基础参数，地应力的大小和方向是地下开拓和支护方案设计的基本条件[1]。地应力测量方法主要有水压致裂法、应力解除法、声发射法、应力恢复法等[2]。刘虎军、刘四军、于雷等[3-5]均基与空芯包体测量方法分别对彬长矿区、木城涧矿区、红庙矿区地应力分布情况进行了研究，为巷道差异性变形机制分析及巷道控制方式设计提供了有力支撑，长久以来，地应力测量工作是指导煤矿安全生产行之有效且愈发必不可少的技术方法。

1.矿区概况

红墩子矿区红一井田位于宁夏回族自治区东部，隶属银川市滨河新区管辖。井田西南距临河镇约10km，距银川市约30km，东距内蒙古自治区鄂托克前旗约70km。总体构造为一走向北东向、西翼陡东翼缓的不对称背斜，即红墩子三道沟背斜，其西部发育有红墩子向斜，再向西被黄河断裂所断。红墩子三道沟背斜西翼受红墩子断层切割，红墩子断层落差30～180m，红墩子三道沟背斜东翼上还发育有17条落差小于20m的断层，其中7条断层走向呈北西向，10条断层走向呈北东向。井田内煤层大部赋存于红墩子三道沟背斜东翼。根据区内的构造形态、断层及褶曲的发育情况，确定井田构造复杂程度为简单偏中等构造类型。1150401工作面是红一煤矿，乃至整个红墩子矿区首个开采工作面，1150401工作面共布置3条巷道，分别为1150401工作面回风顺槽、运输顺槽及排水巷，其中排水巷是受二次采动影响巷道，在1150403工作面开采时，作为1150403工作面的回风顺槽。1150401工作面及邻近工作面巷道布置，如图1所示。

图1 1150401工作面巷道布置图

2.地应力测量方案

(1)测量原理与工作流程

空芯包体测量属孔壁应变解除法，我国常用的空芯包体应力计是由地质力学研究所制造的KX-81型空芯包体式三轴地应力计，可实现在单孔中通过一次套芯解除获得三维应力状态，具有使用方便、安装操作简单、成本低、效率高等优点。施工流程图如图2。

图2 施工流程图

(2)地应力监测方案

红一煤矿地应力测量均使用矿方钻机，型号为ZDY-3300S矿用深孔钻机。红一煤矿地应力测量钻孔位置、钻孔参数见表1、表2、图3、图4所示。

表1 钻孔地点

表2 测量钻孔参数

图3 回风立井井底车场测点位置

图4 第一中部车场顺槽联络巷测点位置

3.地应力测量结果与分析

(1)地应力测量结果

在进行地应力分析时，在计算主应力时，需要被测钻孔煤岩样的弹性模量E和泊松比μ两个参数，将测得的钻孔方位、应变片安装角、弹性模量、泊松比等数据输入到地应力软件计算。

在3个测点中，回风立井井底车场2个地应力测点埋深在449m，2个测点最大水平主应力值为18.23MPa，第一中部车场顺槽联络巷1个地应力测点埋深在589m，最大水平主应力值为20.21MPa。随着埋深增加，最大水平主应力值增加，最大水平主应力增加梯度为1.42MPa/100m，即埋深每增大100m，最大水平主应力值增加1.42MPa。为垂直应力场的1.38倍，红一煤矿最大主应力矢量图，如图5所示，地应力实测值见表3所示。

表3 红一煤矿实测地应力值

图5 红一煤矿最大主应力矢量图

(2)地应力对巷道巷道稳定性的影响

地应力是引起采矿工程围岩、支护变形和破坏、产生矿井动力现象的根本作用力，在诸多影响采矿工程稳定性的因素中，地应力是最重要和最根本的因素之一。在矿井设计、施工和生产的各个阶段，根据工程所处的不同构造部位和地质条件，考虑原岩应力作用的特征，合理地确定巷道断面的几何形状，合理地选择巷道的轴线方向，对于保证巷道的相对稳定和生产的安全都有重要意义。

随着巷道轴向与构造应力场方向夹角的增大，巷道围岩受力状况逐渐趋于恶化，基于此，在布置巷道时，使巷道轴线方向与最大水平主应力方向夹角愈小愈好。

澳大利亚学者盖尔（Gale）提出最大水平应力理论认为巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，该理论认为：矿井岩层的水平应力一般是垂直应力1.3～2.0倍。而且水平应力具有方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的1.5～2.5倍。且有三个特点：①与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板稳定性最好；②与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶底板变形破坏偏向巷道某一帮；③与最大水于应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差。

地应力测试结果表明：红一煤矿地应力场属于水平构造应力场，最大主应力的方向为270.61°，最大主应力值为20.21MPa，地应力方向与工作面巷道及上山夹角如图6所示。

图6 最大主应力与工作面及上山夹角

红一煤矿采用立井、暗斜井开拓方式，三条暗斜井兼作首采区三条上山，初期不设大巷，首采区在三条暗斜井的南北两翼布置工作面。按照首采区开采计划，近年接续工作面为1150401工作面（2022.7—2023.4）和1150404工作面（2022.12—2023.9）。

三条暗斜井分别为暗主斜井、暗副斜井与暗回风斜井，其中暗主斜井与暗副斜井布置于距离5煤底板约12m的粉砂岩中，暗回风斜井沿5煤煤层布置。三条暗斜井空间上平行布置，与最大主应力夹角约为37°，最大主应力方向对1150404工作面回采巷道稳定性存在一定影响。

1150404工作面位于三条暗斜井的南翼，工作面运输顺槽在第二中部车场处开口，工作面在第一中部车场处开口。1150404工作面回采巷道与最大主应力夹角约为88°，最大主应力方向对1150404工作面回采巷道稳定性影响较大。

1150401工作面位于三条暗斜井的北翼，工作面运输顺槽在第一中部车场顺槽联络巷处开口，工作面回风顺槽在回风联络巷处开口。1150401工作面回采巷道与最大主应力夹角约为76°，最大主应力方向对1150401工作面回采巷道稳定性影响较大。

4.结论

（1）确定红一煤矿地应力场属于水平构造应力场，最大主应力的方向为270.61°，最大主应力值为20.21MPa。

（2）1150404工作面回采巷道与最大主应力夹角约为88°，最大主应力方向对1150404工作面回采巷道稳定性影响较大；1150401工作面回采巷道与最大主应力夹角约为76°，最大主应力方向对1150401工作面回采巷道稳定性影响较大。