北岭煤矿地应力测量及应力状态分析

杨志强，汤志龙，张春霆

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.中煤平朔北岭煤业，山西朔州 036000；3.山西中煤华晋能源有限责任公司，山西河津 043300）

北岭煤矿地应力测量及应力状态分析

杨志强1，2，汤志龙3，张春霆1，2

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.中煤平朔北岭煤业，山西朔州 036000；3.山西中煤华晋能源有限责任公司，山西河津 043300）

以中煤平朔煤业公司405运输巷为工程背景，采用现场空芯包体测量方法对北岭煤矿进行地应力测量，对巷道围岩进行地质力学评估，为北岭煤矿锚杆（索）支护技术提供重要准确的基础数据。

采矿工程；地应力测量；空芯包体测量；地质力学评估

北岭煤矿主要可采煤层为4号、6号、9号和11号煤层，目前开采4号煤层。4号煤层顶板以泥岩、砂质泥岩为主；煤层平均厚度10.1 m，倾角3°～5°，煤层节理中等发育；底板为泥岩和粉砂岩，局部为砂质泥岩。

为了提高矿井的现代化水平，实现安全高效生产，采用综采放顶煤开采。北岭煤矿当前的巷道断面较小，已无法满足运输、通风等方面正常生产需要，为此必须扩大巷道断面，由于煤体本身的强度较低，节理裂隙发育，开巷后围岩煤体将变得破碎，整个巷道临空面煤体的强度都会有不同程度的降低，巷道掘进过程中及后期服务过程中易发生冒顶和片帮等事故。此外巷道所处的地层条件复杂多变，围岩性质千差万别，且多数巷道在服务年限内还要经常受采动的强烈影响。本文采用现场测试方法对北岭煤矿进行地应力测量，可为锚杆（索）支护技术提供重要准确的基础数据。

1 北岭煤矿地应力测量方法

地应力是指岩体处于天然产状条件下所具有的内应力。地应力场的产生原因主要两个：一个是由岩体自重作用产生垂直及水平应力，另外一个是由于地壳岩体运动而引起的构造应力。

获取原岩应力状态的定量数据资料的测量方法，最具代表性的是水压致裂法和应力解除法。空芯包体测量法是北岭煤矿地应力测量采用的主要方法。

1.1 测量仪器

基本原理与应力解除法相同，但是钻孔的方式、传感器的形式则不相同，测量工艺、技术有其特点，实现应变—应力换算的具体公式形式及算法都具有其个性。

1）空芯包体应力计的结构：KX-81型空芯包体式三轴地应力计是采用孔壁应变解除法进行地应力测量。可以通过一次套芯在单孔中解除获得三维应力状态。

KX-81型应力计由12个电阻应变片通过嵌入环氧树脂筒中组成的。将3枚应变片形成的应变花沿环氧树脂筒圆周相隔120°粘贴。

2）其他测量仪器：水平定向仪所用型号为SDX。

矿用智能数字应变仪型号为KBJ-16，见图1。

率定机：主要由围压器和油泵组成，见图2。可以将仪器读数换算成折算位移，以便进行主应力计算。

现场测量时，取出带有空芯包体探头的岩芯，将其放入围压率定机中，将油高压打入围压器中，给岩芯施加围压直至达到其预定值，然后降压；绘出率定曲线。用公式计算弹性模量E和泊松比μ。

式中：E为弹性模量，MPa；P0为围压值，MPa；d为岩芯小孔内径，mm；D为岩芯外径，mm；εX为轴向应变；εT为周向应变。

率定机工作流程，见图3，利用专业软件处理现场实测数据，可求得求出应力状态。

2 现场测试

根据矿井开采布局、地质构造及现场实际等情况，在405运输巷选择三个测点。测量钻孔使用TXU-150型地质钻孔机，采用直径为130 mm的套芯钻头、直径为130 mm的取芯管、直径为130 mm的锥形口钻头、直径为36 mm的测量孔钻头等钻具。为了用于实验室试验，所以在打钻过程中，将钻取的岩芯和套取（带有应力计）的岩芯用塑料、胶带包装密封，以免发生折断或磨损。具体工作进展如下：

1号测孔：2011年6月14～17日，在405运输巷150 m处进行1号测点的钻进、取芯和地应力测量工作。于6月17日11时解除完毕，完成了1号测量钻孔的现场测试工作。

2号测孔：2011年6月18～20日，在405运输巷450 m处进行2号测点的钻进、取芯和地应力测量工作。于6月20日12时解除完毕，完成了2号测量钻孔的现场测试工作。

3号测孔：2011年7月2～5日，在405运输巷750 m处进行2号测点的钻进、取芯和地应力测量工作。于7月5日19时解除完毕，完成了3号测量钻孔的现场测试工作。

在地应力计算和推导过程中，需要确定的是岩石弹性模量E和泊松比μ两个参数，计算结果如表1所示。

3 地应力计算

表2为地应力测量观测数据表，可根据测量的应变值计算出三个方向的应力值和方向，各应力分量值如表3和表4所示。

测量结果的分析结论：3个测点的最大主应力值分别为：3.5 MPa、3.4 MPa、3.5 MPa。随开采深度的增加，地应力会随之增大，地应力对采矿活动的影响会更大；最大主应力方向分别为北东96°、北东100°、北东105°，其中最大主应力方向为近东西向；三个测点近垂直方向的主应力值分别为2.3 MPa、2.4 MPa、2.5 MPa，基本等于自重应力。4）引起井下巷道变形和采场破坏主要原因是剪应力。

4 结论

1）空芯包体应力测量的方法的基本原理与应力解除法相同，但是钻孔的方式、传感器的形式则不同，测量工艺具有安装操作简单、效率高等优点，采用该方法对北岭煤矿进行地应力测量是可行的。

2）北岭煤矿的垂直应力基本等于自重应力，其地应力均为压应力，且以水平构造应力为主。

3）随开采深度的增加，地应力会随之增大，地应力对采矿活动的影响会更大。北岭煤矿地应力测量数据比较稳定，说明该矿区有比较稳定的地应力场。

Geostress Measurement and Stress-state Analysis in Beiling Mine

YANG Zhiqiang1,2,TANG Zhilong3,ZHANG Chunting1,2

(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Production Technology Division,Beiling Mine,ChinaCoal Pingshuo Group,Shuozhou 036000,China; 3.ChinaCoal Huajin Energy Co.,Ltd.,Hejin 043300,China)

Taking the No.405 transportation roadway as project background,the study measured geostress by empty inclusion method and evaluated surrounding rock in terms of geomechanics,which could provide accurate basic data for the bolt(cable)supporting technology in Beiling Mine.

mining engineering;geostress survey;empty inclusion measuring method;geomechanics evaluation

TD311

A

1672-5050（2015）02-0001-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.001

（编辑：薄小玲）

2014-11-13

杨志强(1981-)，男，山西应县人，在读工程硕士研究生，工程师，从事煤矿开采技术与管理工作。