长平煤矿地应力分布规律研究及其应用

张文彬

(晋城无烟煤矿业集团长平公司,山西晋城 048006)

矿压与灾害控制

长平煤矿地应力分布规律研究及其应用

张文彬

(晋城无烟煤矿业集团长平公司,山西晋城 048006)

随着长平煤矿开拓延伸,地应力对围岩变形与破坏的影响更加突出,在全矿进行地应力实测,并分析地应力场分布规律具有重要意义。利用澳大利亚钻孔套芯应力解除设备,在全矿选择 9个点进行地应力三维测量。实测数据表明:井田东部与西部水平主应力受褶断的影响差异较大,属于构造应力场类型,地应力水平从东到西逐渐由中等应力区向高等应力区发展;采用回归方法分析了地应力随埋藏深度的变化规律以及水平主应力与垂直主应力的比值同埋藏深度的关系;利用地应力分布规律分析地应力对现有巷道的影响,对未开采盘区巷道的布置和支护设计提供参考。

地应力测量;应力解除;分布规律

GeostressD istribution Rule and Application in Changping Colliery

地应力是煤矿井下采场、巷道稳定性的主要影响因素,地应力的大小、方向直接决定围岩开挖后的变形和支护体[1]受力状态;作用于围岩的载荷除地应力外,还有采掘活动引起的次生应力,这是煤矿开采活动区别于其他岩土工程的最显著特点。

长平井田地处太行山西缘南段,总的地势为西高东低,井田处于庄头正断层的下降盘一侧,晋获褶断带南部、沁水盆地南缘东西 -北东向断裂带的北东部。井田中的构造形态与区域构造密切相关,井田地层东部受晋获褶断带影响总体走向北北东,倾向北西西,倾角 5～12°,在倾向上发育次一级的向背斜及断裂构造 (如冯家村背斜、管寨向斜等)。井田西部受沁水盆地南缘东西向构造影响,部分地区受局部构造应力作用变得弯曲。

主采 3号煤层厚 4.60～6.35m,含泥岩、炭质泥岩夹矸 0～2层。顶板岩性一般为粉砂岩、砂质泥岩、泥岩,具水平纹理;底板岩性为泥岩、粉砂质泥岩。

实际开采过程中,一盘区Ⅲ1309、Ⅲ1308采面巷道开挖后变形量大,支护体损毁严重,需要多次维修支护,影响回采工作的顺利推进。为了摸清全矿地应力分布规律,为后期巷道掘进支护和工作面布置提供科学的依据,进行了地应力实测。

1 地应力现场观测

地应力测量方法有多种,根据测量原理[2]可分为 3大类:以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法,如应力恢复法、应力解除法及水压致裂法等;以测量岩体中声发射、声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理[3]方法;根据地质构造和井下岩体破坏状况提供的信息确定主应力方向的方法。本次地应力测量采用钻孔套芯应力解除法。

1.1 地应力测试方法及设备

原岩应力测量一般在煤矿井下的巷道中进行,应力钻孔普遍采用在巷道内以一定的仰角向巷道顶板岩体中施工,在完整岩体中安装应力传感器进行应力测量;在选定地应力测量地点施工导孔及安装孔,在小岩芯完整位置安装应力计,然后,用金刚石岩芯筒把内部粘结着应力计的圆柱状岩芯取出,取芯过程中,岩体的应变则由应力计测量出来;把内部粘结着应力计的完整岩芯插入弹模率定仪并对其施压,记录岩石应变随压力变化情况,即可计算出岩石的弹性模量和泊松比,之后通过三维应力计算公式得出地应力测试结果。

现场测试采用澳大利亚 CSI ROH I型应力传感器,如图 1所示,CSI ROH I应力计是在预制的空心环氧树脂柱面上粘贴 3组应变花而制成的。在实际测量过程中,将应力计推到安装应力计的预定位置后,使用推力杆挤出环氧树脂液,使之充满应力计与孔壁间的间隙,待完全固化后,应力计与岩体结合为一体,然后实施应力解除。

图1 CSI ROH I型应力传感器

1.2 地应力实测地点及其钻孔参数

为掌握长平煤矿井田内的原岩应力分布状况,本着测点布置覆盖面广以及能真实反映实际情况的原则,并结合长平煤矿井下地质条件,分别在4205巷、1102巷和 2204巷布置 9个测点进行原岩应力实测工作。

根据地应力实测时钻孔岩心岩性观察,巷道顶板还有 3.2m煤层,其上为 1.8m泥岩,再向上即为粉砂岩,应力传感器即安装在粉砂岩内。地应力钻孔仰角、方位角、安装深度见表 1。导孔的直径为105mm,钻进长度为13.0m,地应力传感器安装孔直径 38mm,长度为 0.47m,应力传感器安装深度13.5m。

表1 钻孔施工实际参数

1.3 地应力现场测定结果

表 2为地应力实测数据[4],结合长平煤矿地质条件,长平煤矿地应力分布特征如下:

(1)原岩应力场的最大主应力为近东西、东南向,倾角近水平,构造应力占绝对优势,属于典型的构造应力场类型;地应力水平从东到西由中等应力区向高等应力区发展,地应力大小介于 5～33.5MPa。矿区东部与西部水平主应力方向变化较大,主要原因是受晋获褶断带的影响。四盘区最大水平主应力最大,倾角也较大,方向近东西向;一盘区最大水平主应力最小,方向近东西向;二盘区最大水平主应力方向近南南东向。

(2)实测得到的最小主应力为水平应力。四盘区最小水平主应力最大,方向近南北向;二盘区最小水平主应力最小,方向近北东 -南西向;一盘区最小水平主应力方向近南北向。

(3)同一测点上的最大水平主应力为最小水平主应力的 2.58～5.94倍。

(4)最大水平应力普遍大于垂直应力,最大水平主应力为垂直应力的 1.80～2.6倍。

(5)长平煤矿开采区域内,最大主应力方向基本与煤层倾向平行,背斜、向斜除其轴部位置,其余区域对地应力的方向影响可以忽略。最大主应力倾角不仅取决于煤层的倾角,上覆岩层厚度是影响最大主应力大小、方向的主要因素之一,表土的地形地貌对 3号煤层地应力影响较大。

表2 地应力测量结果

2 长平矿区地应力分布规律

2.1 最大、最小主应力与垂直深度关系

图 2是根据实测结果,拟合出的最大主应力与垂深之间关系的趋势线,由图中可以看出,随着深度的增加,在 200～450m,最大主应力与垂直深度呈线性关系如下:

图 2 最大主应力与垂直深度趋势线

图 3是根据实测结果,拟合出的最小主应力与垂深之间关系的趋势线,由图中可以看出,随着深度的增加,在 200～450m,最小主应力与垂深之间的关系如下:

σ3=0.034H-5.946(MPa) (200m≤H≤450m)

图 3 最小主应力与垂直深度趋势线

根据拟合曲线,最大主应力、最小主应力和垂深之间的一元线性回归曲线的相关系数值都大于0.8,属高度相关,垂深是影响应力值大小的主要因素。

2.2 最大主应力/垂直应力比值与垂深关系

图 4是根据长平煤矿地应力实测结果,拟合出的最大主应力/垂直应力比值与垂深之间的关系趋势线,由图中可以看出,随着深度的增加,在 200～450m,主应力与垂直应力的比值随着垂深增加而增加,其多项式回归曲线关系为:≤450m)

图 4 最大主应力/垂直应力比值与垂深趋势线

最大主应力/垂直应力比值与垂深的一元多项式回归拟合曲线相关系数大于 0.8,属高度相关。随着开采深度的增加,最大主应力和垂直应力比值趋于稳定值,且有下降的趋势,垂直应力向最大主应力靠近。

2.3 最大/最小主应力比值与垂深关系

图 5是根据长平煤矿地应力实测结果,拟合出的最大/最小主应力比值与垂深的关系趋势线,由图中可以看出,随着垂深的增加,在 200～450m,最大与最小主应力比值随深度增加,先上升,在310m时比值最大,之后比值缓慢下降直至稳定到2.5左右,其多项式回归曲线关系如下:

图 5 最大/最小主应力比值与垂深趋势线

根据图 5拟合出来的趋势线,最大主应力与最小主应力的比值随深度的增加,变化比较复杂, 310m之前其比值随垂深的增加而增加,310m之后开始下降,在 400m后比值基本稳定,随着深度的增加,构造对主应力的影响趋于稳定,其他次生应力因素对主应力的影响逐步减小。

3 地应力观测实际工程应用

长平煤矿现有的巷道,主要以煤巷为主,全部沿煤层底板掘进,开拓大巷采用锚网喷进行的永久支护,其他巷道主要采用锚网索支护。开拓大巷,包括胶轮车大巷、胶带机大巷、第一回风大巷、第二回风大巷,沿北偏东 35°方向布置,已经完工使用的巷道基本上与最大主应力方向平行,除局部地区受陷落柱的影响必须加强支护外,4条大巷在开采服务期间将不会有大的变形,预计不需要进行二次维护。

对于盘区回采准备巷道,不同区域受到的地应力大小、方向不同。现有的准备巷道中,四盘区巷道布置与最大主应力方向基本垂直,巷道在掘进时顶板容易冒落,掘进后顶板控制比较困难,局部地方需要进行二次维护。巷道两帮锚网支护后,煤体支撑能力较高,在最大水平主应力的影响下,导致顶板破坏深度增加,塑性区域扩大,顶板抗拉能力降低。底板在水平主应力的影响下,中部将最先鼓起,巷道底板变形。在回采期间,采动应力将导致巷道进一步变形,应加强巷道的支护管理。

一盘区受到的地应力最小,但是受地质构造的影响,部分区域地应力垂直于现有巷道,特别是III1308、III1309工作面的准备巷道,不仅受到背斜轴地质构造[5]的影响,煤体裂隙发育,整体强度较差,而且其地表为 3座大山交汇的区域,覆盖层厚度大,地应力较大。在实际回采中,应加强地表大山交汇处巷道的支护与管理,尽量在设计初期避开向斜、背斜轴部。其余地方地应力基本上与巷道平行,且应力较小,有利于巷道围岩的控制,巷道掘进后变形较小,且顶底板容易控制。

二盘区东部采区准备巷道多数横穿冯家村背斜轴部,局部区域内巷道变形比较严重,应加强管理,其他地方除受水文地质等其他因素影响外,地应力对巷道维护的影响介于四盘区到一盘区之间。二盘区东部采区 2306,2307采面位于地表山和谷交汇区域,煤层底板为向斜褶曲,预测回采期间巷道变形量较大。

[1]钱鸣高,刘听成 .矿山压力及其控制 [M].北京:煤炭工业出版社,1991.

[2]康红普,林 健 .我国巷道围岩地质力学测试技术新进展[J].煤炭科学技术,2001(7).

[3]刘 彤,马旭青,张晓平,等 .岩石声谱特征值与强度关系研究 [J].西部探矿工程,2003(5).

[4]徐光亮,康红普,颜立新 .煤巷围岩强度测定及数据处理[J].煤矿开采,2004(1):4-6.

[5]康红普 .煤巷锚杆动态信息设计法及其应用 [J].煤矿开采, 2002(1):5-8.

[责任编辑:李宏艳]

TD311

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1006-6225(2010)03-0096-04

2010-01-25

张文彬 (1976-),男,山西山阴人,工程师,主要从事矿山采掘技术及管理工作。