潞宁煤矿深部巷道原岩应力分布规律研究

张 斌

(山西潞安集团潞宁煤业有限责任公司,山西 忻州 036700)

原岩应力是引起井工煤矿工程变形和破坏的根本作用力,在巷道围岩控制领域,确定原岩应力的大小和方向是科学进行巷道支护设计的首要前提[1-3]。水力压裂法与应力解除法为目前常用的原岩应力测试方法。广大科研工作者针对原岩应力测量开展了系列研究,并取得一定成果。康红普[4]采用水力压裂法测量了10余座埋深小于200 m的浅部矿井的原岩应力数据,分析了浅部矿井原岩应力场类型与原岩应力分布特征。伊丙鼎[5]梳理了我国井工煤矿千余条原岩应力数据,建立“中国煤矿应力环境数据库”,统计分析了井工煤矿原岩应力分布特征及不同影响因素。

潞宁煤矿随着开采强度与深度的增大,矿井受构造运动影响,原岩应力场复杂,巷道围岩控制难度逐渐增大。本文在潞宁煤矿开展了6个测点的原岩应力测量,基于实测数据,分析潞宁煤矿原岩应力场分布特征,从而指导巷道支护设计。

1 潞宁煤矿原岩应力测量概况

1.1 潞宁煤矿地质条件概况

潞宁煤矿位于山西省忻州市宁武县,井田长约9.3 km,宽约4.8 km,井田面积约31 km2,主采2号煤,煤层平均厚度为4.1 m,一次采全高采煤工艺。共布置4个采区,其中,四采区局部开采深度已超600 m.

1.2 潞宁煤矿原岩应力测量统计数据

潞宁煤矿原岩应力测试采用水力压裂法。水力压裂法测量原岩应力为平面应力测量方式[6]。测试时,每个测点在顶板布置深度为25 m、孔径为58 mm钻孔,结合围岩综合柱状图及钻孔窥视结果,选取围岩完整岩石段作为测试段,采用水力压裂原岩应力测试装备对测试段进行封孔、高压注水并反复加压,致裂岩层,获得围岩的破裂压裂Pb、重张压力Pr及瞬时关闭压力Ps,结合水的容重γw,通过公式(1)计算获得最大水平主应力σH与最小水平水应力σh.垂直应力根据上覆岩层容重计算。

σH=3Ps-Pr-2γwh
σh=Ps-γwh

(1)

潞宁煤矿原岩应力测试地点包括准备巷道、回采巷道,涉及2号煤与3号煤,共计6个测点。原岩应力测量结果如表1所示。表中,σH为最大水平主应力,MPa;σv为垂直主应力,MPa;σh为最小水平主应力,MPa.上述测点中典型的水力压裂曲线与印模图如图1与图2所示。

表1 原岩应力测量统计数据

图1 22118运输巷600 m测点水力压裂曲线

图2 22118运输巷600 m测点水力压裂印模图

2 潞宁煤矿原岩应力场特征研究

2.1 原岩应力量值及应力场类型

潞宁煤矿6个测点最大水平主应力量值均大于垂直主应力,说明潞宁煤矿深部巷道原岩应力总体上水平应力占优势,属于典型的构造应力场。按照主应力大小排列,潞宁煤矿深部巷道原岩应力场均为σH>σv>σh型应力场。6个测点中,原岩应力量值最大为29.22 MPa,最小为11.34 MPa.对于最大水平主应力,所有测点值均大于20 MPa,因此,潞宁煤矿深部巷道原岩应力量值目前处于高应力区。

图3 潞宁煤矿原岩应力散点分布

2.2 原岩应力随埋深变化规律

从图3中可看出,潞宁煤矿原岩应力总体上随埋深增大逐步增大。线性拟合分析最大水平主应力量值、最小水平主应力量值,得到最大水平主应力、最小水平主应力、垂直主应力随埋深变化的线性回归公式:

σH=0.029H+6.789
σh=0.013 3H+4.895
σv=0.024 5H

(2)

从公式及拟合曲线可以看出,随着埋深增加,最大水平主应力与垂直主应力的增速大于最小水平主应力,进而可通过式(2)对潞宁煤矿深部地区其他未开展测量区域原岩应力进行预估。

2.3 最大水平主应力与垂直主应力的比值随埋深的变化规律

最大水平主应力与垂直主应力的比值(侧压比k1)随埋深的变化如图4所示。表明潞宁煤矿深部巷道k1离散性较小,最大水平主应力与垂直主应力的比值集中在1.6～1.7.

2.4 最小水平主应力与垂直主应力的比值随埋深的变化规律

最小水平主应力与垂直主应力的比值(侧压比k2)随埋深的变化如图5所示。由图分析可知,k2离散性较小,最小水平主应力与垂直主应力的比值集中在0.8～0.9,说明最小水平主应力随埋深增大,逐渐从大于垂直主应力演变为小于垂直主应力,且两者之间的差值有增大趋势。

图5 侧压比k2随埋深变化的散点图

2.5 最大主应力与最小主应力之差与垂直应力的比值随埋深的分布规律

井巷开挖、煤层采动均会改变围岩应力状态,围岩在剪应力作用下易发生非协调变形。最大主应力与最小主应力之差与垂直应力的比值(侧压比k3)决定了岩体中剪应力大小[7],侧压比k3埋深变化的散点图如图6所示。分析可知,侧压比k3集中在0.69～0.87,侧压比k3离散性较小。

图6 侧压比k3随埋深的散点图

2.6 最大剪应力随埋深的分布规律

最大剪应力为最大主应力与最小主应力之差的1/2,潞宁煤矿深部巷道最大剪应力随埋深变化规律如图7所示。分析可知,最大剪应力最大为6.71 MPa,最小为4.62 MPa,埋深400～600 m范围最大剪应力离散性较小,埋深继续增大最大剪应力且增大明显,巷道围岩更易发生剪应力破坏。

图7 最大剪应力随埋深变化规律

3 结 语

1) 潞宁煤矿深部巷道原岩应力场总体上水平应力占优势,为典型的构造应力场。最大主应力始终为最大水平主应力,垂直主应力大于最小水平主应力。

2) 潞宁煤矿深部巷道多处于高原岩应力值区域,侧压比离散性较小。最大剪应力在埋深为400～600 m范围时离散性较小,埋深继续增大,最大剪应力增大明显,说明深部巷道易发生剪应力破坏。