山西某矿巷道围岩地应力测试研究

2019-04-13 08:09马雪鹏

凿岩机械气动工具 2019年4期

马雪鹏

（晋城集团寺河煤矿生产技术管理部，山西晋城048204）

1 前言

某矿井田面积约230 km2，南北走向约12 km，东西倾斜约23 km，全井田可采煤层分为3#、9#、15#三层煤层，总厚度10.32 m。伴随煤矿开采的深度、广度向更大范围发展，矿山岩体的应力环和破坏特性都有了较大变化，因此，对围岩体进行地应力测试研究，意义重大。

为给煤矿生产提供力学保障，并为即将开拓的15#煤巷道锚杆支护设计提供科学可靠的地质力学基础数据，有必要对矿区15#煤进行系统的地应力测试实验，以便补充矿井地质力学数据资料，同时为盘区工作面的支护设计、巷道维护等提供基础技术参数，进而使矿井生产、建设更加合理和安全。

2 地应力测量研究

2.1 地应力测试原理

对于平面应力测量，水压致裂法有三个基本假设条件：(1) 岩石呈线弹性，同时各个方向同性；(2) 岩石的主应力中，有一个主方向和钻孔轴平行；(3) 岩体是完整的，具有非渗透性。所以，水压致裂法的力学模型，可以看作是一个平面力学问题，类似于相互垂直的两个水平应力σ1、σ2，同时作用于一个带圆孔的无限大的平面之上。依据弹性力学，通过计算，圆孔孔壁相互垂直的M、N 两点的应力(见图1)为

如果σ1＞σ2，那么σM＜σN，故当在圆孔内液压大于围岩的承压时，将在最小切向应力上，产生张破裂。同时，沿垂直于最小压应力方向，破裂将继续延伸。通常，我们将使孔壁产生破裂的外加液压Pb称为临界破裂压力[1]，孔壁破裂处的应力集中加上岩石的抗拉强度T，等于临界破裂压力[2]，即为

图1 水压致裂-应力示意图

如果考虑岩石体的孔隙压力P0，上式即为

式中 σh——最小水平主应力

σH——最大水平主应力

若孔壁在实际测量中破裂，如果继续对封闭的孔段注液增压，那么被封隔器封闭的孔段将出现裂隙并扩展向纵深处；如果立即封闭裂压系统并停止注压，那么裂隙将不会延伸，并在地应力场的作用下趋向闭合。裂隙张开时的平衡压力称为瞬时关闭压力PS，与垂直裂隙面的最小水平主应力是相等的，即为

用式（3）减去（5），即可实时获取抗张强度值T

进而求得最大水平主应力σH

垂直方向应力依据上覆岩石的体量进行计算,即

式中 PS——封闭压力，MPa

Pr——重张压力，MPa

P0——静水压力，MPa

Pb——破裂压力，MPa

h——测点到读数仪的垂直距离，m

γw——水的容重，kN/m3

H——埋深，m

γ——上覆岩层容重，kN/m3

图2 水压致裂法——地应力测量过程示意图

地应力测验工作是基于巷道围岩钻孔开展的(如图2所示)。首先，用注水管将两个橡胶封隔器推送至指定地方，进而高压注水，使封隔器涨起来，然后将封隔器岩孔关闭。往岩孔注入高压水，直至岩壁碎裂，最大水平应力方向就是压裂的方向。在压裂后进行印模步骤，当注水膨胀压力达到一定级别之后，将印痕留在胶筒上，即获取到压裂缝和原生裂缝位置，进而获得最大主应力σH方位。

依据上述原理，通过实测及对应业内计算工作，即可获得测站点的原岩应力场中的最大水平应力的方位、数值等参数。

2.2 数据处理与研究分析

从水压过程中，通过各回次的压力-时间曲线，求得瞬时关闭压力PS、破裂压力Pb以及重张压力Pr，进而计算出岩石抗张强度T、最大水平主应力σH、最小水平主应力σh等参数。图3所示为一条标准压裂曲线的各个参数值选取方法。

图3 应力测量—水压致裂法—各压力参数值的选择

3 现场测试

为了对某矿围岩地质力学状况做全面了解，课题组成员与矿方领导研究决定，在煤矿已掘巷道中的特征位置布设两个测站。为保证测试结果代表性与准确性，选站时应避开较大地质构造带；测站位置顶板应较完整；巷道高、宽应满足打钻要求;通风、水、电系统要求完整。两个测站布置四个测孔，钻孔直径为58mm。顶孔深度约为25 m，且垂直布设；帮孔的深度约为11m，与水平方向有2°～3°夹角，以方便排水，减少水的湿润效果对煤岩强度造成影响，进而影响研究成果。

3.1 测站位置

根据现场条件和实际应用需求，确定在已掘巷道中有选择性地选取三个测站。第一测站位于南翼胶带大巷4#钻场内，钻场断面呈矩形，锚网喷支护，实际巷高4.8m，钻场断面宽5.2m，测站处埋深362m。第二测站位于南翼胶带大巷6#钻场内，锚网喷支护，钻场断面宽5.4m，实际巷高5.1m，测站处埋深364m，钻场断面呈矩形。第三测站位于南翼辅运大巷1#钻场内，锚喷支护，实际巷高5.3 m，钻场断面宽5.5m，测站处埋深349m，钻场断面呈矩形。具体位置如图4所示。

3.2 地应力测试

对顶板结构进行观测研究后，就可以进行地应力测量段标定工作，对各个测量段进行依次压裂，并对压力和时间进行实时数据采集与获取，得到水压裂曲线图。结合前述公式，可依次获得：垂直应力、最大水平主应力、最小水平主应力值等数据。通过引入指南针方向同基线角度值，压裂裂缝与印模基线所夹角度值，经过计算分析，获取各应力方向数据，结果如图5所示。