豹子沟矿地应力分布特征及巷道合理布置研究

邵国飞

（山煤国际蒲县豹子沟煤业有限公司，山西 临汾 041000）

1 概况

豹子沟煤业有限公司矿井生产能力0.9 Mt/a。9+10+11 煤层为主采煤层，三个煤层相近，采用联合开采，总平均厚度5.54 m。顶板为11 m 厚的泥岩、中砂岩，底板为9 m 的泥岩、砂岩。煤层平均埋深450 m，地质条件复杂。众所周知，煤岩体是一个极其复杂的地质体，煤岩体是否发生破坏主要有两大影响因素[1-2]：一是煤岩体本身强度，煤岩体存在大量的不连续结构面，就会导致强度较低，反之强度较高；二是煤岩体承载的外在地应力大小及地应力方向，地应力越大煤岩体容易发生破坏，地应力方向也会造成很大影响。豹子沟矿巷道断面较大，构造复杂，断层较多，煤岩体内裂隙较多，煤岩体本身强度不高，势必给巷道支护造成一定的困难。煤层埋深一定，地应力大小也一定，故地应力的分布特征及巷道与地应力方向的关系成为巷道支护的关键问题[3-4]。

2 地应力测试

测试地应力的方法有应力解除法、水压致裂法等。豹子沟矿采用水压致裂法测试地应力，测试装置为SYY-56 型[5-6]。测试步骤如下：（1）选取测试孔段。利用窥视仪选择完整的孔段，选择的孔段深度不小于巷道宽度的2.5 倍。（2）注水管泄漏试验。对注水管进行压裂前的试验工作，保证注水管在高压下管路的正常使用。（3）正式压裂。将封隔器下到设定的孔段，并进行注压，直至压裂段的岩石压裂，然后停止加压，完成第一次压裂试验。（4）重复张裂试验。当压裂管道内压力恢复为零时，重复上一步骤第一次压裂试验3～4 次，并记录破裂缝重新张开到关泵后压力随时间的衰减曲线。（5）压模、确定裂纹方向。在排净空气的印模器上划一道直线，与定向仪上基线取齐，将定向仪与涂有四氢呋喃的印模器进行连接，并将印模器送至预先设定的压裂位置。对印模器进行加压1.2 Pa，持续约1 h，通过分析基线与地理北极的夹角，以及模胶筒上的基线和裂纹迹线，可确定裂纹方位角。

通过豹子沟井下实际情况，选取了6 个地方进行地应力测试，分别编号1#～6#测站。具体位置及测试深度情况如下：1#测站风井井底，距离1#联络巷80 m 处，测试深度16 m；2#测站1208 巷中约580 m 处，测试深度15 m；3#测站轨胶联络Ⅰ巷中，测试深度20 m；4#测站1212 巷中约480 m 处，测试深度16 m；5#测站1212 巷中约1000 m 处，测试深度19 m；6#测站1208 巷中，距离巷道拐点处约60 m，测试深度16 m。测试结果如图1 和表1。从测试的结果可知，测试中最大、最小水平应力最大值分别为18.98 MPa、9.86 MPa，垂直应力最大值为11.45 MPa，六个测站最大水平应力普遍较大，垂直应力普遍较小且小于水平应力，水平应力对巷道顶底板作用大于两帮；根据应力判别标准和测试应力结果可判断，该采区为中等应力场；最大水平主应力方向主要集中在N24°W ～N54°W 之间。

图1 各测站地应力测试定向结果

表1 各测站测定结果

3 地应力与巷道布置关系数值模拟

利用FLAC3D数值模型模拟工作面巷道布置与地应力不同方向时塑性变化情况。数值模拟对象为豹子沟矿工作面顺槽，煤厚5.47 m，倾角为1.5°～3°，煤层单轴抗压强度为19 MPa。模拟方案为最大水平主应力方向与巷道轴线的夹角从0°～90°，中间每间隔10°分别对围岩应力、塑性破坏情况进行模拟，部分模拟结果如图2、图3。

通过图2 和图3 的模拟结果可知：煤岩体被挖空后，原岩应力被破坏并重新分布，在巷道两帮、底板分别出现了应力升高区、垂直应力降低区。同时发现，随着最大水平应力与巷道轴线的角度增大，两帮垂直应力降低区从顶板上方与底板下方发展到巷道顶角上方与底板斜下方，同时两帮应力降低区逐渐增大，远离巷道两帮的水平应力不断增加；顶板垂直切面上巷道轴线平行于最大水平主应力方向，应力值减小，集中应力分布范围减小，随着夹角增大，应力集中区不断扩大，直到90°时，水平应力值与集中范围最大；围岩塑性变形量随着夹角的增大塑性变形逐渐增大，平行时最小，垂直时变形最大，但是在0°～20°范围内塑性变形不够明显，在20°～60°塑性变形比较显著，与水平应力实地测试结果一致，即实测的巷道水平应力方向与巷道轴线夹角不是在0°～20°合理范围内，故需要加强巷道两帮的支护；同时，其他巷道掘进时尽量使巷道水平应力方向与巷道轴线夹角在0°～20°内。

图2 部分不同角度下围岩垂直应力分布情况

图3 最大水平主应力方向与巷道轴线夹角塑性变形情况

4 结语

豹子沟矿地质情况复杂，存在大量的地质构造、断层等，构造应力大于垂直应力。通过水压致裂法实地对矿井的地应力分布进行测量以及数值模拟的结果对比，发现部分巷道轴线与最大水平应力夹角在20°～60°，此时应加强巷道两帮的支护，同时，建议掘进时其他巷道的巷道轴线与水平应力方向夹角应设定在0°～20°内。